/
Автор: Алиев Т М. Тер-Хачатуров А.А.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения приборостроение измерительные приборы измерительные устройства издательство высшая школа издательство москва
ISBN: 5-06-000736-7
Год: 1991
Текст
T. М. Алиев, ААТер-Хачатуров
Измерительная
техника
Т М. Алиев, А.А.Тер-Хачатуров
Измерительная
техника
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для технических вузов
ТЕХКЗ»ЕСКАЯ БИБЛИОТЕКА
Са'1.! О’1 '
Об - r"'i -mv L-ладовве
и • сдисгаз*
Москва «Высшая школа» 1991
ББК 34.9
А 50
УДК 621317.7
Рецензенты: ;•
кафедра ’’Информационно-вычислительных систем” Пензенского поли- J
технического института; j
д-р техн, наук, проф. В.Н. Малиновский (Московский энергетический ’
институт)
Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. 9
А50 Измерительная техника: Учеб, пособие для техн, вузов. — М.:
Высш, шк., 1991. — 384 с.: ил.
ISBN 5-06-000736-7
Рассмотрены общие вопросы метрологии, методы и средства измерения <
электрических и неэлектрических величин, вопросы обработки измерительных .4
сигналов, теория погрешностей; изложены принципы построения средств отоб- м
ражения информации, измерительных информационных систем, измерительно- Ж
вычислительных комплексов и измерительных интерфейсов; описаны агрегат- У
ные комплексы средств электроизмерительной и вычислительной техники, Ж
а также намечены перспективы развития измерительной техники.
А 2004010000 (4309000000) - 314 125 _ 91 ББК 349 <
001(01)-91 6П5Л
$
Учебное издание ц
ц'
Алиев Тофик Мамедович, Тер-Хачатуров
Аркадий Амбарцумович ?
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Зав. редакцией Н.И. Хрусталева. Редактор И.Г. Волкова. Художественный ,
редактор Т.М. Скворцова. Младший редактор Л.А. Гусакова. Технический
редактор Л.М. Матюшина. Корректор В.В. Кожуткина. Оператор Н.В. Хазрат-
кулова.
ИБ№ 8271 !
Изд. № СТД-669. Сдано в набор 29.10.90. Подл, в печать 20.05.91. Формат бОхввУтб.
Бум. офс. № 2. Гарнитура Пресс-Роман. Печать офсетная. Объем 23,52 усл.печ.л.
23,52 усл.кр.-отт. 24,08 уч.-изд.л. Тираж 27.000 экз. Зак № 1431. Цена 2 р. 40 к.
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Текст набран на наборно-пишущих машинах издательства, отпечатано в Московской
типографии № 8 при Госкомпечати СССР. 101898, Москва, Центр, Хохловский перч 7.
ISBN 5-06-000736-7
© Т.М. Алиев, А.А. Тер-Хачатуров, 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ
Для группы электротехнических и электроизмерительных' специаль-
ностей имеется много учебников, учебных пособий и монографий по элек-
трическим измерениям, сбору и обработке измерительной информации.
Однако ни одна из книг в полной мере не отвечает системным требова-
ниям к изложению отдельных разделов. Это и было предпосылкой созда-
ния учебного пособия, отражающего специфику современного состояния
системных средств измерительной техники. Следует отметить, что в настоя-
щее время средства измерительной техники преимущественно применяются
в составе систем и комплексов.
Накопленный авторами опыт ведения лекционных и практических
занятий по ряду электроизмерительных дисциплин позволил системати-
зировать и подготовить материал учебного пособия в соответствии с тре-
бованиями системного изложения всех разделов измерительной техники.
Авторы учебного пособия уделили большое внимание описанию, филь-
трации и обработке измерительных сообщений. Описаны методы автомати-
ческой коррекции погрешностей средств измерения, преобразователи
неэлектрических величин, интерфейсы, системные устройства отображения
информации, информационно-измерительные системы и измерительно-
вычислительные комплексы. Рассмотрены традиционные средства электро-
измерительной техники — аналоговые и цифровые приборы, описанные
с позиций общих понятий. Для них в основном приведены табличные пред-
ставления принципов действия, обобщенные параметры и их характерис-
тики.
В учебном пособии значительное внимание уделено вопросам государ-
ственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП) — структуре
организации, агрегатным средствам электроизмерительной и вычислитель-
ной техники и средствам контроля и регулирования, а также вопросам
их взаимосвязи, с учетом важности системной совместимости средств
измерений и технических средств автоматизированных систем обработки
информации и управления. Указанные три агрегатных комплекса ГСП
практически обеспечивают аппаратно-программную реализацию задач
управления на всех иерархических уровнях.
Авторы считают своим приятным долгом выразить искреннюю при-
знательность и благодарность коллективу кафедры ’’Информационно-
вычислительных систем” Пензенского политехнического института (зав.
кафедрой д-р техн, наук, проф. Э.К. Шахов) и д-ру техн, наук, проф. В.Н.
Малиновскому, взявшим на себя труд по рецензированию рукописи и
сделавшим ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержа-
ния книги.
Авторы также приносят благодарность своим коллегам за помощь,
оказанную ими при подготовке рукописи учебного пособия.
Отзывы и предложения просим направлять в издательство ’’Высшая
школа” по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул.,д. 29/14.
Авторы
РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ
Г Л А В А 1 .ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
§1.1. Роль и значение измерительной техники.
История развития
Измерительная техника - один из важнейших факторов ускорения
научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного
хозяйства.
При описании явлений и процессов, а также свойств материальных
тел используются различные физические величины, число которых дости-
гает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и
временные; механические, акустические, оптические, химические, био-
логические и др. При этом указанные величины отличаются не только ка-
чественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми
значениями.
Установление числового значения физической величины осуществля-
ется путем измерения. Результатом измерения является количественная
характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой
степени приближения полученного значения измеряемой величины к ис-
тинному значению физической величины. Укажем, что нахождение чис-
лового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем,
т. е. в процессе физического эксперимента.
При реализации любого процесса измерения необходимы техничес-
кие средства, осуществляющие восприятие, преобразование и представ-
ление числового значения физических величин.
На практике при измерении физических величин применяются элект-
рические методы и неэлектрические (например, пневматические, меха-
нические, химические и др.).
Электрические методы измерений получили наиболее широкое рас-
пространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять пре-
образование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод измери-
тельной информации в ЭВМ.
Технические средства и различные методы измерений составляют
основу измерительной техники. Любой производственный процесс харак-
теризуется большим числом параметров, изменяющихся в широких преде-
лах. Для подцержания требуемого режима технологической установки
необходимо измерение указанных параметров. При этом чем достовернее
осуществляется измерение технологических параметров, тем лучше ка-
чество целевого выходного продукта. Современные предприятия, напри-
мер нефтехимического профиля с непрерывным характером производ-
ства, для подцержания качества выпускаемой продукции используют
измерение различных физических параметров, таких, как температура,
объемный и массовый расход веществ, давление, уровень и количество
4
вещества, время, состав вещества (плотность, влажность, содержание ме-
ханических примесей и др.)> напряжение, сила тока, скорость и др. При
этом число требуемых для измерения параметров достигает нескольких
тысяч. Например, в атомной энергетике число требуемых для измерения
параметров процессов достигает десятков тысяч.
Получение и обработка измерительной информации предназначены
не только для достижения требуемого качества продукции, но и органи-
зации производства, учета и составления баланса количества вещества и
энергии. В настоящее время важной областью применения измерительной
техники является автоматизация научно-технических экспериментов.
Для повышения экономичности проектируемых объектов, механизмов
и машин большое значение имеют экспериментальные исследования, прово-
димые на их физических моделях. При этом задача получения и обработки
измерительной информации усложняется настолько, что ее эффективное
решение становится возможным лишь на основе применения специализи-
рованных измерительно-вычислительных средств.
Роль измерительной техники подчеркнул великий русский ученый
Д.И. Менделеев: ’’Наука начинается с тех пор, как начинают измерять...”.
Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в.
и характеризуется последовательным переходом от показывающих (се-
редина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец
XIX — начало XX в.), автоматических и цифровых приборов (середина
XX в. — 50-е годы) к информационно-измерительным системам.
Конец XIX в. характеризовался первыми успехами радиосвязи и радио-
электроники. Ее развитие привело к необходимости создания средств из-
мерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигна-
лы, высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах изме-
рительной техники использовались радиоэлектронные компоненты —
выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы (ламповые, транзис-
торные, на микросхемах), электронно-лучевые трубки (при построении
осциллографов) и др.
Таким образом, расширение номенклатуры и качественных показате-
лей средств измерительной техники неразрывно связано с достижениями
радиоэлектроники. Одним из современных направлений развития изме-
рительной техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники,
являются цифровые приборы с дискретной формой представления инфор-
мации. Такая форма представления результатов оказалась удобной для
преобразования, передачи, обработки и хранения информации. Развитие
дискретных средств измерительной техники в настоящее время привело
к созданию цифровых вольтметров постоянного тока, погрешность пока-
заний которых ниже 0,0001 %, а быстродействие преобразователей напря-
жение — код достигает нескольких миллиардов измерений в секунду;
верхний предел измерения современных цифровых частотомеров достиг
гигагерца; цифровые измерители временного интервала имеют нижний
предел измерения до долей пикосекунды; электрические токи измеря-
ются в диапазоне от 10-1ё до 10s А, а длины — в диапазоне от 10~12 (раз-
мер атомов) до 3,086 • 1016 м. 5
Широкие возможности открылись перед измерительной техникой
в связи с появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благода-
ря им значительно расширились области применения средств измеритель-
ной техники, улучшились их технические характеристики, повысились
надежность и быстродействие, открылись пути реализации задач, кото-
рые ранее не могли быть решены.
По широте и эффективности применения МП одно из первых мест
занимает измерительная техника, причем все более широко применяются
МП в системах управления. Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ
при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных
для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.
Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования
средств измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает.
§ 1.2. Основные понятия и определения
Понятия и определения, используемые в измерительной технике,
регламентируются ГОСТ 16263—70.
Измерение — это информационный процесс получения опытным
путем численного отношения между данной физической величиной и неко-
торым ее значением, принятым за единицу сравнения.
Результат измерения — именованное число, найденное путем
измерения физической величины. Результат измерения может быть при-
нят как действительное значение измеряемой величины. Одна из основных
задач измерения — оценка степени приближения или разности между истин-
ным и действительным значениями измеряемой физической величины —
погрешности измерения.
Погрешность измерения — это отклонение результата из-
мерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность изме-
рения является непосредственной характеристикой точности измерения.
Точность измерения — степень близости результата измере-
ния к истинному значению измеряемой физической величины.
Измерение уменьшает исходную неопределенность значения физичес-
кой величины до уровня неизбежной остаточной неопределенности, опре-
деляемой погрешностью измерения.
Значение погрешности измерения зависит от совершенства техничес-
ких устройств, способа их использования и условий проведения экспери-
мента.
Принцип измерения — это физическое явление или совокупность физи-
ческих явлений, положенных в основу измерения. Примером может слу-
жить измерение температуры с использованием термоэффекта и другие
физические явления, используемые для проведения эксперимента, кото-
рые должны быть выбраны с учетом получения требуемой точности изме-
рения.
Измерительный эксперимент — это научно обоснованный опыт для
получения количественной информации с требуемой или возможной точ-
6
ностью определения результата измерений. Проведение измерительного
эксперимента предполагает наличие технических устройств, которые могут
обеспечить заданную точность получения результата. Технические устрой-
ства, участвующие в эксперименте, заранее нормируются по показателям
точности и относятся к средствам измерений.
Средство измерений — это техническое устройство, используемое
в измерительном эксперименте и имеющее нормированные характерис-
тики точности.
Количественная информация, полученная путем измерения, представ-
ляет собой измерительную информацию.
Измерительная информация — это количественные сведения о свой-
стве или свойствах материального объекта, явления или процесса, получае-
мые с помощью средств измерений в результате их взаимодействия с
объектом.
Количество измерительной информации — это численная мера умень-
шения неопределенности количественной оценки свойств объекта.
Взаимодействие объекта исследования и средств измерений в про-
цессе эксперимента предполагает наличие сигналов, которые являются
носителями информации. Важными носителями информации являются
электрический ток, напряжение, импульсы и другие электрические пара-
метры.
Измерительный сигнал — сигнал, функционально связанный с изме-
ряемой физической величиной с заданной точностью.
Метод измерения — это совокупность приемов использования прин-
ципов и средств измерений. Важное значение в измерительной технике
имеет единство измерений.
Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их
результаты выражены в указанных единицах, а погрешности измерений
известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет срав-
нивать результаты различных экспериментов, проведенных в различных
условиях, выполненных в разных местах с использованием разных методов
и средств измерений. Это достигается путем точного воспроизведения и
хранения установленных единиц физической величины и передачи их
размеров применяемым средствам измерения.
Перечисленные вопросы составляют предмет метрологии.
Метрология — это учение о мерах, это наука о методах и средствах
обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точ-
ности. Мера предназначена для воспроизведения физической величины
данного размера.
Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий
комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных правил, требова-
ний и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и
контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства
измерений и единообразия средств измерений. В соответствии с изложен-
ным характеристики средств измерений, определяющие точность измере-
ния с их помощью, называют метрологическими характеристиками средств
7
измерения. Метрологические характеристики нормируются в обязательном
и установленном порядке с целью обеспечения единства измерений.
Контроль — процесс установления соответствия между состоянием
(свойством) объекта контроля и заданной нормой. В результате контро-
ля выдается суждение о состоянии объекта.
§ 1.3. Физические величины. Основы метрологии и стандартизации
Физическая величина отображает свойства объектов, которые можно
выражать количественно в принятых единицах. Всякое измерение реали-
зует операцию сравнения однородных свойств физических величин по
признаку ’’больше-меньше”. В результате сравнения каждому размеру
измеряемой величины приписывается положительное действительное
число:
х = q [х] , (1.1)
где q — числовое значение величины; [х] — размерность величины, назы-
ваемой единицей величины.
Единицей величины называется ее доля с числовым значением, рав-
ным единице.
Уравнение (1.1) является основным уравнением измерения. Числовое
значение q находят как
q = */И ,
следовательно, оно зависит от принятой единицы измерения.
Пусть мы имеем две единицы измерения одной и той же физической
величины [х'1] и [х2] • Тогда коэффициент связи для двух единиц изме-
рения имеет вид Kl>2 = [xi] / [*2] и числовое значение величины в дру-
гой системе единиц может быть определено по выражению q2 =КХ 2qi-
Если мы осуществляем измерение в каком-нибудь интервале х — х0 =
- q [х] , где х0 — определенное значение, принятое за начало отсчета ин-
тервала, то здесь встретимся с понятием шкалы данной величины.
Шкалой данной величины называется совокупность ее числовых зна-
чений в рассматриваемом интервале. Шкала полностью определяется на-
чалом отсчета х0 и единицей [х] . Практически шкалу определяют выбо-
ром двух значений х0 и Xj величин, называемых реперными. Интервал
Xj - х0 величин называют основным интервалом.
Основными физическими величинами в принятой Международной
системе единиц (СИ), в соответствии с ГОСТ 8.417 81 ’’Единицы физи-
ческих величин”, являются: единица длины - метр (м); единица массы —
килограмм (кг); единица времени — секунда (с); единица силы тока —
ампер (А); единица термодинамической температуры - Кельвин (К);
единица силы света — кандела (кд); единица количества вещества — моль
(моль). В СИ имеются две дополнительные единицы - единица плоского
угла — радиан (рад) и единица телесного угла — стерадиан (ср). Допол-
нительные единицы не являются производными, поскольку не зависят
от выбора основных единиц.
8
В СИ выделяют следующие группы производных величин (единиц):
механических, тепловых, электрических, акустических, световых и энер-
гетических величин, характеризующих оптические свойства, и, наконец,
ионизирующих величин, характеризующих излучение. Производные еди-
ницы выражают через основные и получают из уравнений связи между
величинами, характеризующими данный физический закон или опреде-
ление [1.2] .
На практике широко применяются кратные и дольные единицы. Крат-
ная единица в несколько раз больше основной, а дольная единица — в
несколько раз меньше основной. Наименование дольных и кратных еди-
ниц всегда приписывается к основной единице. Кратные и дольные еди-
ницы образуются умножением единицы на 10", при этом п принимает
целые положительные значения для кратных единиц или отрицательные
для дольных единиц.
Основными нормативно-техническими документами государственной
системы обеспечения единства измерений являются государственные стан-
дарты. На основе базовых стандартов разрабатываются нормативно-тех-
нические документы, конкретизирующие общие требования базовых
стандартов к отдельным отраслям народного хозяйства, областям измере-
ний и методикам выполнения измерений.
Метрология и стандартизация в СССР объединены в единую государ-
ственную службу - Государственный комитет стандартов (Госстандарт
СССР). Поддержание единства во всех областях измерений осуществляется
метрологической службой Госстандарта СССР через научно-исследователь-
ские организации и лаборатории государственного надзора за состоянием
измерительной техники. Их основной задачей является: обеспечение един-
ства измерений и достоверности измерений в отраслях народного хозяй-
ства путем обеспечения повсеместного соблюдения правил законодательной
метрологии; планомерное внедрение методов и средств измерений, отве-
чающих современным требованиям производства и обеспечивающих вы-
пуск продукции высокого качества; постоянный контроль за состоянием
и правильностью применения средств измерений.
Удовлетворение основных потребностей народного хозяйства в сов-
ременных технических средствах автоматизации осуществляется в рамках
государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП). Ос-
новная идея ГСП при построении АСУ состоит в том, чтобы использовать
типовые алгоритмы измерения, контроля, диагностики, управления, реа-
лизуемые с помощью ограниченного набора технических средств, методов
агрегатирования.
В настоящее время в составе ГСП выпускается большое число типов
промышленных приборов и средств автоматизации; значительное число
промышленных АСУ построено на базе технических средств ГСП. Состав
типов устройств ГСП и их характеристики определяются параметричес-
кими рядами изделий. ГСП объединяет ряд агрегатных комплексов, пред-
ставляющих взаимосвязанные между собой изделия, объединенные по
9
назначению, принципу действия, основным техническим характеристикам,
а также обеспечивающие конструктивную, технологическую и метрологи-
ческую совместимость. В ГСП входят агрегатные комплексы, при этом
для АСУ наибольший интерес представляют следующие [2.29,2.30] :
агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ);
агрегатный комплекс телемеханической техники (АСТТ); агрегатный
комплекс вычислительной техники (АСВТ); агрегатный комплекс техни-
ческих средств локальных информационно-управляющих систем (КТС
ЛИУС).
С 1961 г. была начата совместная работа ряда стран по созданию Между-
народной универсальной системы автоматического контроля, регулирова-
ния и управления (УРС), которые ставят перед собой задачу обеспечения
единых технических средств автоматизации.
§ 1.4. Место измерительной техники в АСУ
Необходимое условие эффективного управления и планирования —
это точность и полнота сведений, поступающих по каналам связи, своев-
ременность получения информации, надежность ее передачи и переработки.
Количественные методы оценки информации строятся на одном об-
щем положении: чем неопределеннее исход того или иного события, тем
больше информации несет сообщение о его результате.
Получение информации об исследуемом объекте возможно при нали-
чии информационного воздействия источника сообщения на адресат или
систему. Реализуется это воздействие благодаря сигналам, представляю-
щим собой изменения физических, физиологических или других процес-
сов, происходящих в трактах передачи информации. Сигнал является но-
сителем информации в пространстве и во времени.
Информационные процессы обладают следующими свойствами:
всякий информационный процесс связан с конкретным материаль-
ным объектом или системой объектов и протекает в количественно оп-
ределенных пространственно-временных границах;
любой информационный процесс складывается во времени из некото-
рых качественно и количественно различных стадий, фаэ, событий или
состояний, протекающих в более узких пространственно-временных гра-
ницах по сравнению с рассматриваемым процессом;
информационный процесс представляет собой составную часть более
широких в пространственно-временном отношении процессов.
Современный этап развития промышленности характеризуется ши-
роким внедрением АСУ в народное хозяйство. Это обусловлено увели-
чением номенклатуры и сложности выпускаемых изделий, ростом слож-
ности управления, требованиями научно-технического прогресса, увели-
чением объемов перерабатываемой информации.
Для создания любой системы управления необходимы следующие
основные условия: задание цели управления, выбор направления поиска,
10
критерии управления, ресурсы для
реализации управления, информация
о состоянии объекта.
При управлении любым объектом
управляющей системе требуется ин-
формация, роль которой очень важна
в современных условиях.
Простейшая структура системы
управления объектом представлена
на рис. 1.1. Разрыв в любой цепи
структуры приводит к нарушению
замкнутости системы управления и
последняя перестает существовать.
Важным моментом в процессе
получения количественных сведений
о величине параметра является вое- Рис. 1.1. Простейшая структура АСУ
произведение и селекция требуемой
для измерения информации от объекта управления.
Измерительный процесс представляет собой последовательность изме-
рительных преобразований от восприятия физической величины до фор-
мирования и представления ее числового значения в той или иной форме.
Таким образом, для исследования любого физического объекта, т. е. поз-
нания его свойств, необходим ’’контакт” средства измерений с исследуе-
мым объектом.
При этом для исключения потерь информации необходим правильный
выбор метода измерения и времени усреднения результата измерений.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы достижения современной измерительной техники по быстродействию
и точности?
2. Дайте определение погрешности (точности).
3. Какова роль законодательной метрологии?
4. Приведите основное уравнение измерения.
5. Назовите основные величины в СИ.
6. Какова роль измерительной техники в АСУ?
Г Л А В А 2. ОПЕРАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ И СРЕДСТВА ИХ РЕАЛИЗАЦИИ
§ 2.1. Виды и методы измерений
В измерительной технике встречается большое число величин, подле-
жащих измерению, при этом применяются различные схемы его реализации.
Часто искомая величина определяется на основе измерения других
параметров, функционально связанных с первой. Поэтому всегда следует
различать цель измерения (искомая величина) и те вспомогательные пара-
11
метры и величины (объем измерения), которые непосредственно под-
лежат измерению. С учетом цели и объекта измерения, а также вида функ-
циональной связи между ними в соответствии с ГОСТ 16263—70 существу-
ют различные виды и методы измерения.
Виды измерений. Все измерения подразделяют на четыре вида: пря-
мые, косвенные, совокупные и совместные.
При прямом измерении искомую величину находят непосредственно
по результатам опыта у = х, т. е. цель и объект измерения совпадают. Здесь
у — выходная величина средства измерения. Примером использования
прямого измерения являются приборы стрелочного типа, весы с набором
гирь. Причем когда говорят о прямом измерении, не имеют в ваду, как
долго длится процедура измерения. Прямые измерения являются одним
из основных видов измерений.
При косвенном измерении искомую величину находят на основе пря-
мого измерения ряда параметров при известной функциональной связи
между ними. Уравнение измерения имеет вид
У = Ft (xi,x2..хп) .
Примером косвенного измерения может служить измерение сопротив-
ления с помощью амперметра и вольтметра; измерение массы жидкости
в больших емкостях (путем измерения уровня и плотности жидкости,
а также геометрических размеров емкости); измерение плотности цилин-
дрического бруска путем измерения его геометрических размеров и массы
и др.
Косвенное измерение применяют в тех случаях, когда не применим
прямой метод измерения либо когда оно обеспечивает получение более
высокой точности измерения.
Абсолютное измерение — это косвенное измерение, для осуществле-
ния которого используется прямое измерение массы, длины и времени.
При совокупном измерении происходит одновременное измерение
одноименных величин. В этом случае искомые величины определяются
на основе решения системы уравнений, число которых должно быть равно
или больше числа неизвестных величин.
Совместное измерение аналогично совокупному для неоднородных
величин.
Основные уравнения связи при совокупном и совместном измерени-
ях имеют вид:
Л (У1.-,У„^1(1)......хга(1)) = 0;
F1 (У1 ) = °; <21>
Рп(Уг,...,уп,х^,...,хМ) =0,
где У1, ..., уп — искомые величины; Xi.xm — параметры или величины,
установленные на основе прямого или косвенного измерения; Flt ...,
F — известные функции связи.
Приведем пример реализации совокупных и совместных измерений.
12
Пусть известна функциональная связь вида Rf =А0(1 + at + /3f2), т. е.
известна связь между сопротивлением R f при любой температуре t и состав-
ляющими — Ro при t = 0 и постоянными коэффициентами а и /3. Необ-
ходимо определить значения Ro и а,
Для решений этой задачи используется совместный вид измерения.
При трех известных значениях температур , t2 и /3 измеряются сопротив-
ления <Rf , R , R . Затем составляется система уравнений, решение кото-
рой позволяет определить искомые величины:
Ко(1 + att +ptl) -Rti = 0;
Ко(1 +at2 +Ptj) -Rt2 = 0;
К0(1+аГз +/ЗТз) ~Rt3= 0.
Кроме того, измерения могут быть:
неизбыточными, т. е. когда число т неизвестных параметров уравнения
равно числу п уравнений (и =ш), или избыточными, когда т < п.
множественно-многократными или многоканальными.
Таким образом, любой процесс измерения представляет собой тот
или иной прием сравнения измеряемой величины с величиной воспроиз-
водимой меры с использованием различных средств измерений (СИ).
Различают также статические (входная измеряемая величина не изме-
няется во времени) и динамические (входная измеряемая величина изме-
няется во времени) виды измерений.
Методы измерений. Совокупность приемов использования принципов
и средств измерения представляет собой метод измерения. Существуют
следующие методы измерения: непосредственной оценки, сравнения с
мерой, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.
При методе непосредственной оценки результат измерения определя-
ется по отсчетному устройству СИ. Этот метод наиболее широко распро-
странен в измерительной технике, на нем основаны все стрелочные устрой-
ства, но он имеет наиболее низкую точность, так как в этих приборах
применяются меры ограниченной точности.
При методе сравнения с мерой измеряемую величину время от време-
ни или в каждом опыте сравнивают с мерой. Результат измерения (срав-
нения) оценивается по сравнивающему устройству, например, измерение
массы на весах с помощью гирь или измерение с помощью компенсацион-
ных приборов, в которых периодически устанавливается точное значение
меры (рабочий ток в компенсаторах).
При дифференциальном методе на вход средства измерения подается
разностный сигнал между измеряемой величиной и мерой. Это точный
метод. Он, как правило, используется в поверочных схемах и установках.
Точность метода характеризует следующее. Если разность между изме-
ряемой величиной и мерой составляет 0,1 % и используется СИ с погреш-
ностью 1 %, то общая погрешность оказывается равной 0,001 %.
При нулевом методе разность между измеряемой величиной и мерой
с помощью специального устройства доводят до нулевого значения по
сравнивающему устройству. 13
При методе замещения измеряемая величина определяется путем
замещения ее известной мерой. [
Метод совпадения (или метод ’’нониуса”) применяется в тех случаях,
когда измеряемая величина меньше цены деления заданной меры; При
этом применяются две меры с разными ценами деления, которые отлича-
ются на размер оцениваемого разряда отсчетов. /
Пусть имеем одну калиброванную меру с ценой деления Дхк / изме-
ряемую величину Дх, которая меньше цены деления. В этом случае исполь-
зуют вторую меру с ценой деления Дхк . Таким образом, если чувствитель-
ность необходимо увеличить в п раз, то соотношение между ними будет
иметь вид
Дхк2 = ДхК1 О - !/и) •
В частности, при и = 10 Дх, =0,9 Дх„ .
r ¥2 К1
Измеряемую величину Дх устанавливают между нулевыми отметками
мер и находят число N , равное номеру совпавших делений мер (рис. 2.1).
В этом случае справедливо соотношение
7V Дхк = Дх + /У Дх ,
л к £ л ix 2
откуда
Дх = N (Дх - Дх: ) = N (Дх - 0,9 Дхк ) = N 0,1 Дх
-Л. XX J ДХ 2 XX 1 XX J Л хх J
Метод ’’нониуса” находит широкое применение при измерении времен-
ных интервалов двух близких частот (биений) и в других случаях.
В настоящее время существует еще и классификация методов измери-
тельных преобразований, основанная на концепции измерительных пре-
образований.
Любой измерительный процесс представляет собой последовательное
преобразование сигнала измеряемой величины в величину, ради которой
была поставлена задача измерения. В этой связи любое СИ представляется
как последовательно соединенные звенья, передающие сигнал измеритель-
ной информации от входа к выходу и образующие как бы канал преоб-
Рис. 2.1. Нониусный метод измерения
14
разования. Тогда в общем случае любой метод измерения можно предста-
вить! как последовательное преобразование измеряемой информации в
вид,удобный для восприятия наблюдателем.
В зависимости от состава'результирующей погрешности и погрешнос-
ти отдельных преобразователей различают методы прямого и уравновеши-
вающего преобразований.
При методе прямого преобразования входной параметр последователь-
но проходит все преобразователи разомкнутой цепи преобразования и
по выгодному отсчетному устройству оценивается результат измерения
(здесь движение информации происходит только в одну сторону). Погреш-
ность Такого средства измерения полностью определяется погрешностью
всех преобразователей цепи преобразования.
При методе уравновешивающего преобразования в устройствах су-
ществует, как минимум, два канала преобразования:. прямой и обратный.
Выход канала прямого преобразования (КПП) подается на вход отсчет-
ного устройства и одновременно на вход канала обратного преобразова-
ния (КОП), предназначенного для преобразования выходного сигнала
КПП в величину, аналогичную по физической природе входной величине;
на вход КПП подается разность между измеряемой величиной и выход-
ным сигналом КОП. Результирующая погрешность такой структуры прак-
тически полностью определяется погрешностью КОП (влияние КПП нич-
тожно мало при соответствующем выборе коэффициента его преобра-
зования) .
Метод прямого преобразования представляет собой метод непосред-
ственной оценки, а метод уравновешивающего преобразования — нуле-
вой метод при общепринятой классификации методов измерения.
§ 2.2. Классификация и характеристики средств измерения
Для реализации методов измерения применяются различные виды СИ:
мера, измерительный преобразователь, измерительный прибор, вспомо-
гательное средство измерения, измерительная информационная система.
Мера представляет собой средство для воспроизведения физической
величины в единицах измерения, либо в виде дольных и кратных единиц.
Меры бывают однозначные, или постоянные, и многозначные, или перемен-
ные. Меры в виде отдельных элементов составляют набор. Если они меха-
нически связаны между собой, то представляют собой магазин мер.
Измерительный преобразователь — это СИ, предназначенное для вы-
работки сигнала измерительной информации в форме, удобной для пере-
дачи, дальнейшей обработки, хранения и ввода в ЭВМ, но не поддающее-
ся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительный прибор (ИП) — это СИ, предназначенное для выработ-
ки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосред-
ственного восприятия наблюдателем.
Следовательно, прибор должен представлять собой совокупность
нескольких преобразователей и обязательно иметь выходное отсчетное
устройство. 15
Наиболее распространенными СИ являются приборы непосредственной
оценки, у которых имеется подвижный элемент в виде стрелки и непод-
вижный элемент в виде шкалы, цена деления которой соответствует доль-
ным и кратным значениям единицы измеряемой физической величины/.
Часто приборы снабжаются специальным подвижным устройством,
осуществляющим регистрацию на бумаге. В этом случае приборы называ-
ют регистрирующими. /
Вспомогательные средства измерения — совокупность различных
вспомогательных элементов, предназначенных для работы совместно с
ИП. Эти вспомогательные СИ, как правило, влияют на метрологические
характеристики СИ и поэтому они также нормируются. -
К вспомогательным СИ относятся: различные шунты для расширения
шкалы прибора, специальные высокочастотные коаксиальные кабели и др.
Образцовые приборы предназначены для воспроизведения физичес-
кой величины, с их помощью обеспечивается единство измерений.
Образцовые меры и приборы находятся под охраной государства.
Ими осуществляется поверка рабочих мер и ИП. Рабочие меры и приборы
подразделяют на лабораторные и технические.
Лабораторные меры и приборы применяются исключительно в лабо-
раторных условиях, их точность выше, чем точность технических прибо-
ров, хотя во многих случаях конструктивно и метрологически они не от-
личаются. Повышенная точность лабораторных мер и приборов обеспечи-
вается специальными градуировочными характеристиками, прикладывае-
мыми к ним.
Измерительные информационные системы (ИИС) — это СИ, предназ-
наченные для автоматического представления информации в виде, удоб-
ном для использования в системах управления или регулирования.
В последнее время в связи с усложнением решаемых задач в ИНС
широко применяются различные специализированные вычислительные
устройства и ЭВМ.
В зависимости от назначения ИИС различают четыре их разновидности:
измерительная система (ИС), предназначенная для установления коли-
чественных характеристик объекта;
система контроля (СК), предназначенная для установления соответ-
ствия параметров объекта нормам или требованиям на характеристику
объекта;
система диагностики (СД), предназначенная для установления причин
неисправностей и их локализации в объекте;
система распознающая (СР), предназначенная для установления принад-
лежности данного объекта к некоторому классу образов объекта.
В настоящее время не существует единых критериев для оценки эф-
фективности СИ, поэтому оценку СИ осуществляют по следующим четы-
рем основным характеристикам: точность, быстродействие, чувствитель-
ность, надежность.
Точность — характеристика СИ, под которой понимают степень при-
ближения результатов измерений к истинному значению измеряемой вели-
16
чины. Часто вместо понятия ’’точность” применяют понятие ’’погрешность”,
под которой понимают степень отклонения показаний СИ от действитель-
ного Значения измеряемой величины (xR).
Для оценки погрешностей вводят ряд понятий:
абсолютная погрешность
относительная погрешность (%)
6 4 Л/х 100 или 5 = Д/у 100;
приведенная погрешность
6 = |Д| /у ,
пр тах'Лтах ’
где 1Д1 тах — максимальное значение абсолютной погрешности; утах —
максимальное значение шкалы измерительного прибора.
Погрешность СИ, возникающая при нормальных условиях его экс-
плуатации, называют основной погрешностью. Погрешности, возникаю-
щие при внешних условиях эксплуатации, отличных от номинальных,
называют дополнительными погрешностями.
Быстродействие СИ характеризуется числом измерений в единицу
времени; полосой частот входного параметра, при которых СИ не выходит
за заданный предел точности. У стрелочных приборов быстродействие
оценивают временем с момента изменения входного сигнала до момента,
когда стрелка прибора вошла в полосу не более 1 % от установившегося
значения входного параметра по шкале прибора и остается в этой полосе.
Чувствительность СИ х представляет собой реакцию прибора на вход-
ной сигнал, т- е. отношение выходной величины к входной:
5 = dy/dx .
Часто под х понимают величину
х = Ьу/&х.
Кроме того, в некоторых случаях используют понятия чувствитель-
ности, вычисляемые по формулам:
S = —или X = &У /у _
Дх/х Дх/х
Для стрелочных приборов х =а/х. Поэтому измеряемая величина
где а — показание прибора; 1/х — постоянная прибора или цена деления.
Не следует путать чувствительность СИ с порогом чувствительности,
под которым понимают наименьшее значение входного сигнала, при кото-
ром уверенно обнаруживается изменение выходного сигнала.
Одной из важных огическая надеж-
ность, под которой пАниПжгР1 ]Уан'ёнйе~ тодндс^гхарактеристик СИ
в заданных пределах в ^станЬ'Нленный' Период уатации при опре-
1° 17
I Ч /ХП й/
деленных внешних условиях окружающей среды. При этом имеется в ви-
ду не только выход из строя какого-либо элемента СИ и соответственно
прекращение его работы, но и обязательное сохранение метрологических
характеристик (погрешности, чувствительности, быстродействия и др.)
при указанных условиях. I
Одной из важных количественных характеристик надежности СИ
является вероятность безотказной работы. Обозначим через т время от
момента включения СИ в работу до момента, когда по каким-либо причи-
нам оно вышло из строя или уже не отвечает своим метрологическим
параметрам, а через t рассматриваемый промежуток времени, т -I случай-
ная величина и поэтому [
p(t)=p(r>t), i'
где p(t) — вероятность того, что данное средство измерения будет работо-
способно в рассматриваемый промежуток времени. Применяются и дру-
гие вероятностные характеристики (например, время восстановления и
ДР-)-
В настоящее время в технических условиях на любое СИ указыва-
ются требования к характеристикам надежности. Например, за t = 1000 ч
величина p(t) должна быть не менее 0,85, т. е. p(t) > 0,85.
К характеристикам СИ также относятся: диапазон измерения (зада-
ваемый верхним и нижним пределами измерения), входное сопротивление,
собственное потребление энергии, стабильность характеристики, защищен-
ность от внешних воздействий, габариты, масса, стоимость и др.
§ 2.3. Структуры средств измерения
Структура СИ в общем виде показана на рис. 2.2. Здесь на СИ и выход-
ной сигнал у воздействуют как параметры zlt z2, ..., zn, так и qlr q2.
qn — значения внутренних, конструктивных, геометрических или других
параметров (тип материала, трение, контактная ЭДС и ряд других дестаби-
лизирующих внутренних факторов), которыми характеризуется данное
СИ; z. — значения внешних неинформативных параметров, воздействующих
на СИ (влажность, температура, давление и др.).
В зависимости от классификации методов измерений — прямое или
уравновешивающее преобразование — типовая структура может быть
разомкнутой и замкнутой.
Разомкнутые структуры могут быть последовательного или парал-
лельного вида. На рис. 2.3 представлены примеры разомкнутых структур
(прямого преобразования).
Структура замкнутого вида (уравновешивающего преобразования)
приведена на рис. 2.4. Здесь КПП имеет коэффициент преобразования
К; КОП имеет коэффициент преобразования (3. Замкнутые структуры
подразделяют на статические и астатические. По рис. 2.4,
у = йх К, йх = х - Xi и %! = у0 ,
18
Рис. 2.2. Структура СИ в общем
виде
Рис. 2.3. Структурная схема СИ
прямого преобразования:
а - последовательная; б - парал-
лельная (ИП - измерительный
преобразователь)
тогда j’ - Kxj(I + К(3) .
Если принять КР > 1, то вся погрешность СИ определяется нестабиль-
ностью коэффициента 0:
цифровой
индикатор
Реверсивный
счетчик
Преобразователь
„код-аналог"
Рис. 2.4. Структурная схема СИ урав-
новешивающего преобразования:
КПП - канал прямого преобразования;
КОП - канал обратного преобразования
Рис. 2.5. Электронный элемент памяти:
а — структура элемента; б — временная
диаграмма (PC -реверсивный счетчик;
ЦАП - цифроаналоговый преобразо-
ватель)
19
Каждый из каналов преобразования может состоять из последователь-
ных, параллельных либо последовательно-параллельных звеньев.
Обязательным условием работы системы статического вида является
Дх =# 0. Особенность СИ со структурой статического вида состоит ц том,
что погрешность в ней хуже астатической из-за наличия выходного указа-
теля. (
Астатическая система отличается от статической тем, что в ее структу-
ре присутствует элемент памяти. Схема электронного элемента Памяти
показана на рис. 2.5. >
Наличие элемента памяти обеспечивает поддержание выходного сигна-
ла даже при значении Дх = 0.
Электронный элемент памяти работает следующим образом. Реверсив-
ный счетчик PC подсчитывает поступающие на его вход импульсы, при
этом показания его изменяются, что видно на цифровом индикаторе. Од-
новременно будут меняться значения ^вых-
Общим недостатком структур уравновешивающего преобразования
является возникновение автоколебаний при увеличении коэффициента
преобразования КПП с целью уменьшения погрешности СИ, поэтому
в последнее время стали применять структуры программного уравновеши-
вающего преобразования. Эти структуры отличаются тем, что они разом-
кнутого типа, следовательно, в них отсутствует ограничение на увеличе-
ние коэффициента преобразования. В этом случае источник компенси-
рующего сигнала формирует выходной сигнал по заранее заданной про-
грамме.
Недостаток такой системы в том, что требуется большая скорость
разворачивания компенсирующего сигнала для получения минималь-
но необходимого числа точек отсчета, с помощью которых затем мож-
но восстановить исходную непрерывную выходную функцию с допус-
тимой погрешностью.
2.4. Статические характеристики средств измерения
Любое СИ в статическом режиме описывается аналитической зависи-
мостью между входной и выходной величинами: у =f(x). Наиболее харак-
терные виды этой функции представлены на рис. 2.6.
Характеристики СИ подразделяют на заданную, расчетную и экспери-
мента льйую:
Уо =fo(x) .
Заданная характеристика идеально отражает связь между х и у.
Расчетная характеристика имеет вид
Урасч -^расч^1’^1................^/3 ’
где <?!, ..., qm — конструктивные параметры, характеризующие СИ; <7те+1,
..., qn — внутренние дестабилизирующие факторы (термо ЭДС, трение
в опорах и др.).
20
Рис. 2.6. Виды статических характеристик СИ:
а, б - линейные; в - линейная со смещенным нулем; г - линейная с
порогом нечувствительности; д, е - нелинейные функции
Если значения параметров qit .... qm соответствуют заданным значе-
ниям <71 =<7ю, •••> qm =Ят0> а внутренние дестабилизирующие факторы
qm +1 = qт+2 =<7„_j ~qn = 0> то характеристику называют расчетно-но-
минальной:
^расч.-ном ^расч.-ном
По этой характеристике обычно осуществляют согласование элемен-
тов СИ.
Экспериментальная характеристика может быть установлена на основе
эксперимента
Для всех видов характеристик, кроме нелинейных, чувствительность
постоянна, а для нелинейных — чувствительность является функцией поло-
жения точки на характеристике.
Рассмотрим вопросы чувствительности на примере кривой рис. 2.6, е.
Пусть точка А находится на характеристике у =f(x). Здесь хв - хн
представляет собой диапазон изменения входного сигнала, а у - у —
у„ m
шкалу СИ. В этом случае sA = tg где тх — масштаб по оси
х; т — масштаб по оси у.
у 21
mv
tg^o ,
Иногда для нелинейных характеристик СИ приводится средняя чув-
ствительность
у-
*в - хн
т. е. соединяют крайние точки характеристики у = fix) прямой линией и
считают постоянной чувствительность во всем диапазоне измерения.
Приведем методику расчета характеристик СИ. Для структуры разом-
кнутого типа (см. рис. 2.3, а), установление функциональной зависимости
СИ осуществляется путем составления уравнений отдельных звеньев:
У1
У2 =fi(yi) ,
Уп-^/п-Г(Уп-2) >
yn=fn(yn-i)’
тогда общее решение примет вид
У =Уп =fn^fn-l -f2 У^ХЛ У
В этом случае
s = dy/dx .
Если правую часть s умножить и разделить на
, , , dvi dy2 dyn
dyi,dy2, -,dy , то s = ---- —— ... —------— .
" dx dyr dyn~A
Обозначив dyi/dx = st, dy2/dyi = s2,.... dyn/dyn l =sn и подставив зна-
n
чение Sp получим s = SiS2, sn = П Sp т. e. чувствительность СИ равна
произведению чувствительностей отдельных звеньев.
Можно найти функциональную связь между входом и выходом СИ.
Эта связь может быть также найдена известными графическими методами.
Для разомкнутой структуры (см. рис. 2.3, б) имеем:
У 1 = fiM;
У 2 =/г(х};
Уп = ?п<х>;
У = У1 +У2 + — + Уп >
тогда
S = dy_ = + .
dx dx dx
n
S = S j + S2 + ... + Sn = S s. .
Для структуры уравновешивающего преобразования (см. рис. 2.4)
У [x-f2(yj] ,
где fi(x) - функция преобразования КПП; f2(y) — функция преобразова-
ния КОП.
22
аУп
Для этой структуры
-4^ п-fe-i =-fe П--&-4М;
4х_
ах 1
= «и
d Хэ
~Sy
= S2 •
Итак, s = $i (1 - ss2), s =«i - ss^ или s = । + j1S2 • Если $i -* °°, to
s = lim —-------- = l/s2, т. e. вся чувствительность СИ определяется чув-
Sj -»>” 1 + S jS2
ствительностью КОП.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие виды измерений вы знаете?
2. Какие методы измерения вы знаете?
3. Перечислите основные характеристики средств измерений.
4. Перечислите структуры средств измерений.
5. Какова методика расчета характеристик средств измерений?
Г Л А В А 3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
§ 3.1. Основные понятия
Погрешности измерений в общем случае вызваны действием большого
числа факторов, которые могут быть объединены в две большие группы
[1.3, 2.2] : случайные и систематические
В первую группу входят факторы, которые проявляются весьма нере-
гулярно и интенсивность появления их трудно предвидеть. Составляющая
погрешности, определяемая действием этих факторов, называется случай-
ной погрешностью измерений. Основная особенность заключается в случай-
ном изменении ее при повторных измерениях одной и той же величины.
Во вторую группу входят факторы, не изменяющиеся или изменяю-
щиеся закономерно в процессе измерительного эксперимента. Составляю-
щая погрешности, определяемая действием этих факторов, называется
систематической погрешностью измерений.
Погрешности измерений подразделяют на:
абсолютные и относительные по способу выражения;
систематические и случайные по характеру измерения;
инструментальные и методические по месту возникновения;
аддитивные и мультипликативные по зависимости от значения изме-
ряемой величины.
Для средств измерения погрешности подразделяются на:
абсолютную, приведенную и относительную;
основную и дополнительную в зависимости от причин и условий воз-
никновения;
23
систематическую и случайную;
аддитивную и мультипликативную;
статическую и динамическую в зависимости от режима изменения
измеряемой величины.
В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновре-
менно в виде суммы:
Д - о + в ,
где о и 6 — соответственно случайная и систематическая составляющие
. суммарной погрешности измерения.
Для описания случайной погрешности пользуются понятием ’’диф-
ференциальная функция распределения”, которая для наиболее распро-
страненного нормального закона распределения случайной величины име-
еТВИД 1х-тхУ
2°* ,
v . X
где т — математическое ожидание случайной величины X.
Дифференциальная функция нормального закона распределения пред-
ставлена на рис. 3.1, при этом
J p(x)dx = 1 .
Геометрически это означает, что площадь, заключенная между кривой
распределения и осью абсцисс, равна единице.
Аналогично можно установить, что вероятность попадания случай-
ной величины X на отрезок [Х], х2 ] равна площади фигуры (заштрихова-
на на рис. 3.1), образованной кривой распределения, осью абсцисс и двумя
ординатами p(xt) и р(х2):
*2
p(xt < X < х2) = f pfxjdx .
Одним из основных понятий при оценке систематической и случай-
ной погрешностей является математическое ожидание результатов наб-
людений:
М [X] - тх । Xp(x)dx .
Систематическая погрешность при этом представляет собой откло-
нение математического ожидания результатов
наблюдений от действительного хд значения
измеряемой величины:
е =м[Х\ -хд ,
а случайная погрешность — разность между
результатом единичного наблюдения и математи-
ческим ожиданием результатов:
о = Х~М [Х\ .
pl*)
П1К *t *2 X
Рис. 3.1. Кривая р(х) нор-
мального закона распре-
деления случайной вели-
чины
24
Характеристикой рассеивания результатов наблюдений относительно
их математического ожидания являются дисперсия
D [Л] = £> =М [(x - т J2] = f(x - mJ2 х
/ I J Л — 00 Л
х р(х)ах
и среднеквадратическое отклонение (СКО):
ох=о [А] -
На основании имеющихся экспериментальных данных осуществляют
оценку истинного значения измеряемого параметра, т. е. находят резуль-
тат измерения и оценивают его точность, т. е. меру его приближения к
истинному значению.
Оценку результата измерения осуществляют по методу точечных
или интервальных значений. Пусть имеем N результатов измерения X :
xi> х2< —, х№ Оцениваемыми параметрами являются математическое
ожидание и СКО. Оценка а* параметра а будет точечной, если она выра-
жается одним числом. Любая точечная оценка, вычисленная на основании
опытных данных, является их функцией и поэтому сама представляет слу-
чайную величину со своим распределением.
К точечным оценкам предъявляют ряд требований: состоятельность,
несмещенность, эффективность. Состоятельная оценка означает, что при
увеличении числа N наблюдений она сходится по вероятности к значению
оцениваемого параметра. Оценка является несмещенной, если ее матема-
тическое ожидание равно оцениваемому параметру, и эффективной, если
ее дисперсия меньше дисперсии любой другой оценки данного параметра.
Точечные оценки математического ожидания тп и дисперсий D
находят по формулам:
1 N
DX = 'лÓà 2 К - •
л /V —1 y—j 1 х
Существует также интервальная оценка действительного значения
случайной величины. Сущность метода интервальной оценки заключается
в нахождении интервала, называемого доверительным, между границами
которого с определенной (доверительной) вероятностью лежит истинное
значение оцениваемого параметра. Допустим случайная величина рас-
пределена по нормальному закону с дисперсией о2. В этом случае вероят-
ность р попадания тх в интервал (тх - а*; тх + о*) определяется соот-
ношением
Р {т* тх O*J= ,
25
где s^ft) - распределение Стьюдента; а* - СКО выборочного распределе-
ния величины т *:
и*
х
По заданной доверительной вероятности р из таблиц распределения
Стьюдента (входами в таблицу являются заданная р и п = N — 1) находят
величину t . При этом
£ =ta s*, где s * =
7V(7V - 1)
Таким образом, значение т с заданной вероятностью р будет лежать
в пределах тх - т* ± £. Доверительный интервал для выборочной дис-
персии (СКО ох) определяется из соотношения
71 о* < ох < 72 о* ,
где 71 и уз — величины, определяемые из распределения Пирсона (х2)
по таблицам. Входами в таблицу являются п =N — 1 и заданная доверитель-
ная вероятность р.
Интервальная оценка используется при ограниченном числе измерений
(N < 30) величины X. При N > 30 распределение Стьюдента обращается
в нормальное и отпадает необходимость в нахождении £ и 7,, •
Систематической погрешностью называется составляющая погрешнос-
ти измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся
при повторных измерениях одной и той же величины.
Существует четыре разновидности систематических погрешностей:
методические, вызванные используемым методом измерений;
инструментальные, вызванные погрешностью используемого СИ;
погрешности, вызванные неправильной установкой СИ, влиянием
неинформативных внешних факторов;
погрешности, вызванные неправильными действиями оператора.
По характеру проявления систематические погрешности подразде-
ляют на постоянные и переменные. Постоянные погрешности возникают,
например, при неправильной установке начала отсчета, неправильной граду-
ировке СИ и вследствие других причин.
Среди переменных погрешностей выделяют прогрессирующие, моно-
тонно возрастающие или убывающие в процессе своего изменения, и перио-
дические, значения которых повторяются через равные промежутки вре-
мени.
При воздействии многочисленных внешних факторов (температура,
влажность, давление и др.) характеристики СИ могут изменяться. При
этом возникают аддитивные (погрешности ’’нуля”) (рис. 3.2), мульти-
пликативные (погрешность крутизны характеристики) (рис. 3.3) и нели-
нейные погрешности (рис. 3.4).
26
Рис. 3.2. Аддитивная по-
грешность (Дхд):
I — идеальная характерис-
тика; 2 - характеристика
с аддитивной погреш-
ностью
Рис. 3.3. Мультипликатив-
ная погрешность (Дхм):
1 - идеальная характерис-
тика; 2 - с мультипли-
кативной погрешностью
Рис. 3.4. Погрешность не-
линейности (Дхн):
1 - идеальная характерис-
тика; 2 - с погрешностью
от нелинейности
Результаты наблюдений, полученные при наличии систематических
погрешностей, называют неисключеннымй и обозначают их со штрихами
(х/, Хг и т.д.). При этом среднее арифметическое значение неисключен-
ных результатов измерения определяется как
х' = 1 S х'..
п г=1 '
Неисключенные результаты наблюдений включают в себя системати-
ческие погрешности в., и, следовательно,
/V • /у N
+ JL S М [6J = хо+0,
N i=l ’
где
, г N
е =м[х'] -х0 = 4- S в..
N /=1 »
Постоянные систематические погрешности могут быть уменьшены
и исключены лишь на основании некоторых априорных знаний о них,
получаемых при проверке СИ. Разность между средним арифметическим
результатом измерений и значением меры, используемой при эксперимен-
те, равна искомой систематической погрешности. Следовательно, исклю-
чение этой погрешности осуществляется путем введения поправок в резуль-
тат измерений.
§ 3.2. Оценка результатов наблюдений при различных
видах измерений
Показание СИ при любых измерениях можно представить в виде
х. = хд + о + 0 ,
где х — действительное значение измеряемого параметра.
При многократных измерениях среднее значение измеряемой величи-
ны при N наблюдениях имеет вид 27
1 N
xN = х0 + е + s х.. (3.1)
л N i=l 1
Из (3.1.) видно, что при многократных наблюдениях происходит
лишь уменьшение случайной погрешности. На практике до проведения
измерений стремятся максимально уменьшить систематическую составля-
ющую погрешности. При однократных измерениях показание прибора х2
принимают равным результату измерения, при этом трудоемкость и время
измерения минимальны.
При многократных наблюдениях результат измерения получают в ито-
ге обработки результатов наблюдений, что позволяет уменьшить случай-
ную погрешность, но трудоемкость и время измерения возрастают.
Задача оценки эффективности СИ при одно- и многократном изме-
рениях решена в предположении отсутствия систематической составляющей
погрешности. Поэтому при любом наблюдении предполагается, что сущест-
вует композиция двух законов распределения погрешностей: погрешнос-
ти отсчета, распределенной равномерно в диапазоне цены деления прибора
± Дх/2, и случайной погрешности, имеющей СКО о нормального распреде-
ления. Если Дх/ (2а) = 2,5 3,5, то можно проводить однократные измере-
ния, так как мала вероятность того, что случайная составляющая пог-
решности будет иметь значение, большее половины цены деления СИ.
Для измерения с многократными наблюдениями можно использо-
вать СИ с менее совершенными элементами схемы, обладающее значитель-
ной случайной составляющей погрешности, но более чувствительное. При
этом Дх/(2о) = 1 -^0,25. Такое СИ неудобно для однократных наблюде-
ний из-за высокой вероятности погрешности, превышающей половину
цены деления прибора. Однако результаты многократных измерений, вы-
полненные одним и тем же СИ, целесообразно обработать, усреднить и
таким образом снизить случайные погрешности результата наблюдений.
Из описанного видно, что методика оценки результатов многократ-
ных наблюдений при различных видах измерения имеет свою специфику.
Прямой вид измерения. При постоянном значении измеряемой величи-
ны X получаем выборку xt, х2, х3,..., х„.
В этом случае среднее значение измеряемой величины
V = т* = ? Cixi ’ д, <3-2)
х /=1 ' ' N
где т* - оценка математического ожидания; С. = 1; С. — козффици-
Л / = 1 I I
ент веса каждого отдельного результата наблюдения.
При одинаковом доверии к каждому отдельному результату, т. ?.
при С\ = С2 — . . — CN = 1/N, такие измерения называют равноточными
и в этом случае
х., = — Е х..
N N Z=i '
Если коэффициенты Сь С2, CN неодинаковы, то следует для каж-
дого эксперимента оценить значение ’’весового” коэффициента (С.) и
значение xN определить по (3.2).
28
Величина х N является случайной в ’’малом”; математическое ожидание
равно xR, а разброс
o(xN) = oJx/N', (3.3)
где ан — СКО одного наблюдения; при неизвестном значении ан находят
оценку о*,равную о*.
Из (3.3) видно, что при необходимости уменьшения о(х^) в 10 раз
следует произвести 100 наблюдений.
Величина о* является также случайной и ее математическое ожида-
ние равно он, а разброс а* оценивается как о*(о*). При нормальном зако-
не распределения случайной величины
и* (о*) = /V27V.
Оценка o*(xN) определяется из (3.3). Увеличение числа Д’измере-
ний целесообразно осуществлять до тех пор, пока о*(х^) не станет мень-
ше погрешности в.
В общем случае СКО оценки о* (х^) для нормального закона распре-
деления случайной погрешности определяется из выражения
о [а*(*дг)] = o*(xn)/x/2(N- 1) .
Методика обработки результатов многократных наблюдений при
прямых измерениях следующая:
исключают систематические погрешности из результатов наблюдений;
определяют среднее арифметическое xN результатов наблюдений и
принимают его за оценку истинного значения измеряемой величины;
определяют оценку СКО результатов наблюдения и оценку СКО о* X
X (Xjy) среднего арифметического;
осуществляют проверку гипотезы о нормальности закона распределе-
ния результатов наблюдения по заданному уровню значимости, выбираемо-
му в пределах 0,02 — 0,1;
определяют доверительные границы при заданной доверительной
вероятности;
устанавливают границы неисключенной систематической погрешности
результатов измерений, неисключенные систематические погрешности
СИ рассматривают как случайные величины и если закон из распределения
неизвестен, то принимают, что они изменяются по закону равномерного рас-
пределения. Тогда границы неисключенной систематической погрешности
результата определяются из соотношения (при числе составляющих т > 4)
е = kt v s е2,
i=i 1
где ki — коэффициент, равный 1,1 при р = 0,95 и 1,4 при р =0,99; 0. —
границы отдельных составляющих неисключенной систематической пог-
решности;
определяют доверительные границы погрешности результата изме-
рения:
а) если отношение 61с* (xw) < 0,8, то систематической погрешностью
29
пренебрегают и определяют доверительные границы погрешности резуль-
тата как доверительные границы случайной погрешности Д =
при р- 0,9 5 (или р = 0,99);
б) если отношение Gla*(pcN) > 8, то случайной составляющей погреш-
ности пренебрегают и тогда Д =6 при р = 0,95 (или р =0,99);
в) если имеет место случай 0,8 < в/a* (х^) < 8, то доверительные
границы погрешности результата определяют по композиции двух зако-
нов распределения как ДЛ2сг, где к2 — функция доверительной вероят-
ности числа суммируемых погрешностей (в литературе описаны экспери-
ментальные подходы, позволяющие определить значение к2), а =
= \/a*(xN)2 + , при этом границы о и G погрешности, входящие в по-
следнее выражение, необходимо выбрать при одной и той же доверитель-
ной вероятности (р = 0,95 или р =0,99);
Результат измерения записывают в виде х N ± (Д; р).
Многократные наблюдения при прямом виде измерения могут быть
реализованы по рис. 3.5 путем использования временного (рис. 3.5, а)
либо пространственного (рис. 3.5, 6)усреднения. При временном усред-
нении используется один///7 и в ВУнакапливаются результаты JV измерений,
затем осуществляется усреднение с получением результата ~xN. При схеме
рис. 3.5, б число ИП равно требуемому числу N усреднений результатов
измерений Xj +xN-
Из сопоставления схем реализации по рис. 3.5 можно отметить, что
при временном усреднении имеет место минимум аппаратных затрат и
обеспечивается помехоустойчивость к периодическим помехам, однако
требуется большая затрата времени на измерение и определение резуль-
тата измерения. При пространственном усреднении (или комплексиро-
вании) обеспечивается уменьшение времени при нахождении результата
измерения, однако при этом усложняется аппаратура, но значительно по-
вышается надежность из-за наличия 7V резервов.
Таким образом, временное усреднение можно представить как транс-
формацию быстродействия в точность, а пространственное усреднение —
аппаратурных затрат в точность.
Косвенный вид измерения. Дадим некоторой функции у =f(x) прира-^
щение Дх, тогда у ± Ду = f(x ± Дх). Разложив правую часть этого выраже-
ния в ряд Тейлора в точке х, получим
а)
Рис. 3.5. Схема реализации прямого
вида измерений при многократных на-
блюдениях:
а — временное усреднение; б - про-
странственное усреднение (ИП - из-
мерительный преобразователь; ВУ -
вычислительное устройство)
30
У ± Ду =f(x) ± f(x) Дх ± f"(x) -^-2 + . ..
Ограничившись линейной частью, получим
Ду ±Г(х)Дх.
Положив Дх = Эх, для относительной погрешности найдем
Ьу = ^у/у^±ъ{\п [/W]} . (3.4)
Таким образом, для случая функции нескольких независимых аргу-
ментов Xi +х аналогично (3.4) получим
5^ =^±^{10 [/(x1,x2,...,xm)]} , (3.5)
т. е. относительная погрешность функции равна дифференциалу от нату-
рального логарифма этой функции.
Формулы (3.4) и (3.5) приближенные, т.е. они годны лишь для ли-
нейной функции; однако в практике измерительной техники при опре-
делении результатов косвенных измерений на основе опытных данных
аргументов методическая погрешность обычно меньше погрешности пря-
мых измерений, поэтому такое приближение приемлемо. Если известны
систематические погрешности Дх^. результатов измерений х., то по (3.5)
вычисляют систематическую погрешность Ду результатов косвенных
измерений. Если частные погрешности Дх. имеют разные знаки, то может
произойти частичная компенсация систематических погрешностей.
Предельная погрешность Дг результата косвенного измерения
может быть также получена из (3.5), если заданы предельные значения
погрешностей ± Д*.тах результата косвенного измерения.
Остановимся также на особенностях оценки результата косвенного
измерения при наличии случайной погрешности. При отсутствии взаимо-
связи между аргументами оценкой результата является функция мате-
матических ожиданий измеряемых аргументов, т. е.
"у% = f[M [х,] ,М[х2] ...М[хт] ] .
При наличии взаимосвязи измеряемых аргументов оценкой резуль-
тата является математическое ожидание функции измеряемых аргумен-
тов j.e.
\f(xx,x2, ...,хт)] .
Ниже приводится методика оценки результата косвенного измерения
для случая линейной зависимости, нормальности законов распределения
всех аргументов и отсутствия корреляционной зависимости между ар-
гументами.
Таким образом, исходными данными при косвенных измерениях
являются результаты наблюдений аргументов, которые предварительно
обработаны как результаты наблюдений при прямых измерениях.
Методика обработки результатов многократных наблюдений при
косвенных измерениях следующая:
устанавливают отсутствие корреляционных связей между каждой
парой аргументов;
определяют результат косвенного измерения
__ т _
yN^ ^bixi’
i=i
где Ь{ — постоянные коэффициенты при данных измерениях; xi — резуль-
таты измерения аргументов;
определяют оценку СКО погрешности результата косвенного изме-
рения: ---------------
/ т
о* (yN) = V ° (*/) ’
определяют оценку неисключенной систематической составляющей
погрешности результата косвенного измерения; обычно принимают, что
неисключенные систематические погрешности каждого аргумента рас-
пределены по равномерному закону, как показано в (1.4) :
/ 7И . ~
е = у/ s ,
1=1 ' 1
где 0. — доверительные границы неисключенных систематических погреш-
ностей аргументов, вычисленные для одинаковых вероятностей;
определяют доверительные границы общей погрешности результата
косвенного измерения Д = кзо^,, где к - коэффициент распределения
композиции случайной и неисключеннои систематической погрешности
результата косвенного измерения при заданной доверительной вероятнос-
ти (значения кз могут быть определены из литературы);
п* = /а*2(^) +02/3fc2.
Здесь Л = 1, если неисключенные систематические погрешности пред-
ставлены граничным значением равномерного закона распределения.
Совокупный и совместный виды измерения. Реализация этих видов
измерений осуществляется на основе решения системы уравнений (2.1)
^ = (У1,У2,...,^,- х(/<..„х^)=0?/=1,2,...,п, (3.6)
т. е. достаточно иметь п уравнений по числу определяемых искомых ве-
личин у{ (i =1, 2, ..., п). В этом случае результат измерений и доверитель-
ный интервал погрешностей можно определить методами обработки ре-
зультатов косвенных измерений.
Однако в действительности производят число наблюдений п > т с
целью повышения точности измерений. В силу наличия случайных ошибок
при определении величин правая часть (3.6) не обращается в нуль ни
при каких значениях искомых величин. Поэтому (3.6) не имеет реше-
ния и называется условным. Следовательно, задача здесь сводится к на-
хождению оценок искомых величин, представляющих собой наилучшие
приближения к истинным значениям.
Система уравнений (3.6) может быть представлена в виде
Fk(yt>yt.^-4^,...,^ + еА = 0, Л = 1,2,..., и, ,
32
где Hi > п, так как число уравнений в системе выбирается больше, чем
число определяемых уу
Здесь г* = Д’* — оценки определяемых величин; х* х*п — оценки
измеряемых величин после соответствующей статистической обработки;
е — невязка (остаточная погрешность условных уравнений).
Найти оценки истинных значений определяемых величин можно по
методу наименьших квадратов, при котором добиваются условия
S* е2 = S* F2 (у* у*..у* ; х^к>.....**(к)) = min , (3.7)
fc=l К Л=1 К п т
т. е. когда обращаются в нуль все частные производные функции (3.7)
по искомым величинам:
Л и 1
—s d-=< о.
Эу* Л=1 к
Тактам образом, получаем систему п уравнении, которая может быть
решена относительно оценок искомых величин.
Пример. Исследуется температурная зависимость сопротивления ма-
териала элемента схемы с целью введения температурной компенсации
в СИ. Экспериментальными исследованиями получены данные, сведен-
ные в табл. 3.1. Результаты эксперимента представлены на рис. 3.6. Вос-
пользуемся известной зависимостью сопротивления от температуры (см.
гл. 2):
Rt = R0 (1 + at + /Зг2) ,
Т а б л и ц а 3.1
Результаты экспериментальных исследований шунта
Пара- метры Номер опыта
1 2 3 4 5 6 7 А 9 10
п,°с +1,1 +9,6 +20,1 +29,5 +40.5 +49.7 +58,5 +70.5 +79,8 +89,9
Л., Ом и 1.0 1,06 1,09 1.11 1,17 1,25 1,34 1,41 1,48 1,53
или обозначив Roa =Сг nR0(3 =С2,
получим
Rt=R0 +C\t +C2t2 .
Следовательно, необходимо оп-
ределить параметры Ro, и С2
указанной зависимости.
В соответствии с методом наи-
меньших квадратов
Ю ,
S [/?z- - Ro - Ci tj - C2 Г? ] 2 = min .
Исходя из этого условия, диф-
ференцируя эту функцию по Ro,
33
2 - 1431
а затем no Ct и С2, получим систему из трех уравнений:
-2 S [R- -/?<>- Ctt. - С2Я =0; S
Io
— 2 S [/?z- — Ro — Ci t. — C2t/.] t. — 0; ►
-2 S [Я,-Яо -Cit.-C2e] t2=0
1 ‘ ‘ ' ' J
или
10 10 , 10 Л
10/?0 + Ci S t. + C2 S t2= S R.;
1 ' 1'1'
10 10 , 10, 10 ,
[ Sr] Ro + Cl S t2 + C2 Sr3 = S P.R.;
1 ' 1 1 1'1''
10 , 10, 10 , 10,
[S r?] Ro + Cl Zt* + C2 S r?= Sr2/? .)
1 ' i ' 1'1''
Решив эту систему относительно Ro, Ci и C2, определим их числовые
значения:
Ro = 1,031; Ci = 2,523 • 10"3; С2 =3,713 • 10"s; a = Ci/R0 .
Таким образом,
Rt= 1,031 + 2,523 • IO-3г + 3,713 • 10~5Г2 ,
или
Rt = 1,031 (1 + 2,446 • 10~3r + 3,6- 10-sr2) .
§ 3.3. Суммирование погрешностей средств измерения
При метрологическом анализе СИ возникает задача суммирования
погрешностей. Результирующая погрешность СИ складывается из большого
числа отдельных составляющих и поэтому суммирование их должно быть
произведено по определенному правилу. Современные СИ состоят из
10-15 узлов, поэтому общее число составляющих погрешностей может
быть равно 50 и более. Следовательно, правило суммирования в этом
случае приобретает первостепенное значение.
Основной задачей государственной системы обеспечения единства
измерений в стране является установление такого уровня измерений,
при котором погрешность будет известна с заданной вероятностью. Сле-
довательно, основными должны быть вероятностные метрологические
характеристики средств измерений, в частности математическое ожида-
ние систематической составляющей погрешности и СКО случайной. Во
всех существующих стандартах при решении задач суммирования погреш-
ностей за основу принят вероятностный подход, обеспечивающий возмож-
ность определения интервалов, внутри которых с заданной вероятностью
находится истинное значение измеряемой величины.
В настоящее время в соответствии с ГОСТ 8.009—84 ’’Нормируемые
метрологические характеристики средств измерений” все погрешности
суммируются следующим образом: отдельно суммируются системати-
34
ческие и случайные погрешности и отдельно мультипликативные и адди-
тивные погрешности.
Суммирование систематических составляющих погрешностей СИ
выполняется по формуле
= +52«2 +- + 8пап >
где — суммарная относительная погрешность СИ; д. — относительная
погрешность z-ro звена; а. — коэффициент влияния относительной погреш-
ности z-ro звена на
При суммировании случайной составляющей погрешностей, распреде-
ленных по различным законам, необходимо определение их композиций,
т. е. суммарного закона. При числе составляющих более 3—4 эта задача
становится весьма трудоемкой. Поэтому стремятся оценить суммарную
случайную погрешность более простым путем, принимая во внимание
особенности суммирования случайных составляющих — разделение ее
на аддитивные и мультипликативные, а также исходя из сведений о сте-
пени их коррелированности между собой.
Аддитивная и мультипликативная составляющие случайной погреш-
ности суммируются отдельно. В этом случае суммирование проводится
по всем СИ и учитываются сведения о степени их коррелированности
между собой.
При этом для результирующего значения о имеем
in „ ъ
а = V2o? + 21 а о. к .,
21 i=l ' g*j g 1 s
где kgj — коэффициент корреляции между случайными величинами с индек-
сами g и /. Знак g =А / означает суммирование всех возможных парных
величин, имеющих корреляционную связь (при к = 1 значение о£ находят
алгебраически, при к =0 — геометрически).
В современных СИ, как уже указывалось, общее число подлежащих
суммированию погрешностей может достигать 20 — 50. В этих условиях
точный учет всех возможных корреляционных связей весьма сложен.
При этом часто нет необходимости определять суммарную погрешность
каждого звена в отдельности, определению подлежит общая погрешность
СИ в целом. В данном случае все 50 составляющих могут суммироваться
независимо от того, какому из звеньев они обязаны своим происхожде-
нием. Поэтому используется следующий упрощенный подход к определе-
нию взаимной корреляции погрешностей.
Если ряд погрешностей одного или нескольких звеньев вызывается
одной и той же общей причиной, в результате чего они оказываются доста-
точно сильно коррелированными, то коэффициент их взаимной корреля-
ции принимают равным + 1 или — 1.
Если же погрешность вызывается причинами, не имеющими между
собой явной связи, то их корреляцию принимают равной 0. При этом
промежуточные значения коэффициента корреляции в расчете не исполь-
зуются.
Таким образом, для суммирования погрешностей прежде всего надо
35
выделить группы погрешностей, сильно коррелированных между собой.
Вследствие такой взаимной корреляции и общей причины, вызывающей
все эти погрешности, внутри каждой из групп погрешности должны скла-
дываться алгебраически с учетом их знаков.
Результирующие погрешности, полученные после суммирования в
каждой из групп, уже не имеют между собой заметных корреляционных
связей и должны рассматриваться как статистически независимые. Поэто-
му независимо от того, являются ли эти погрешности в обычном смысле
систематическими или случайными, они должны складываться по прави-
лам суммирования случайных погрешностей.
При расчетах обычно, если к . > 0,7, то к . принимают равным 1 и
о£ определяется как алгебраическая сумма; если kg. < 0,7, то к . прини-
мается равной 0 и о£ определяется геометрически.
Здесь следует отметить, что при суммировании случайных независи-
мых погрешностей различных звеньев СИ определение суммарной погреш-
ности можно упростить, если пренебречь погрешностями, имеющими малые
значения. Это осуществляется по критерию ничтожной погрешности. Рас-
смотрим о£ для случая двух суммируемых слагаемых [1.4]
as = -/oi + Q? >
где принято Oj > и2'
По критерию ничтожной погрешности и2 можно пренебречь по отноше-
нию к Oj, если а2 < 0,05 о£ . Тогда
2 2 2
= °2
Разделим последнее равенство на неравенство и получим
0^+0] > 02/0,05 oz .
Приняв о£ = Oj, получим
о2 < х/2 0,05 о2 = 0,3Oj .
Таким образом, если одна из составляющих случайных погрешностей
втрое меньше, чем другая, то меньшую можно отбросить. Это уравнение
является критерием ничтожной погрешности. Отсюда вытекает известное
правило, что при поверке средств измерения образцовый прибор должен
иметь погрешность не менее чем в три раза меньшую по сравнению с пове-
ряемым,. Группа погрешностей отбрасывается, если их сумма меньше одной
трети максимальной погрешности.
Таким образом, порядок суммирования погрешностей следующий:
а) осуществляется подготовка к суммированию, при этом погреш-
ности подразделяют на систематические и случайные составляющие, адди-
тивные и мультипликативные; для случайной составляющей погрешности
находят математическое ожидание, СКО и закон распределения; опреде-
ляют корреляционные связи между составляющими погрешности;
б) осуществляется суммирование систематических погрешностей
всего устройства в целом;
36
в) осуществляется суммирование случайных составляющих погреш-
ности всего устройства в целом, при этом суммируют все математические
ожидания случайных погрешностей и полученную сумму математического
ожидания складывают с систематической погрешностью (рассматривая
последнюю как случайную погрешность) и тем самым получают системати-
ческую составляющую суммарной погрешности средства измерения;
находят значение СКО случайной составляющей погрешности и закон
распределения суммарной случайной погрешности;
г) определяются границы, в которых с доверительной вероятностью
р (— Дхг < х < Дхг) находятся значения ошибки Дх данного конкретно-
го СИ на основе следующего неравенства:
М [Дх] — Ло(Дх) < Дх<Л/ [Дх] + Ло(Дх)
при заданных М [Дх] , о(Дх), где к — коэффициент, определяемый дове-
рительной вероятностью и видом суммарного закона распределения.
Так, если закон распределения нормальный, а р (— Дхг < Дх < Дхг) =
= 0,95, то к = 2. Для законов, близких к нормальному, треугольному, тра-
пецеидальному, график зависимости к =f [р(— Дхг < Дх < Дхг)] приве-
ден в [1.4] .
§ 3.4. Метрологические характеристики
и классы точности средств измерений
Средства измерений обладают рядом общих свойств, необходимых
для выполнения их функционирования. Технические характеристики,
описывающие зти свойства и оказывающие влияние на результаты и на
погрешности измерений, называются метрологическими. Перечень важней-
ших из них регламентируется ГОСТ 8.009—72 ”ГСИ, Нормируемые метро-
логические характеристики средств измерений”,
Одной из основных метрологических характеристик измерительных
преобразователей является статическая характеристика преобразования
(называемая иногда функцией преобразования или градуировочной харак-
теристикой). Она устанавливает зависимость у = f(y) информативного
параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от ин-
формативного параметра х входного сигнала.
Статическая характеристика нормируется путем задания в форме
уравнения, графика или таблицы некоторой номинальной статической
характеристики, которая официально приписывается данному измери-
тельному преобразователю при номинальных значениях неинформатив-
ных параметров входного сигнала.
Важной характеристикой шкальных измерительных приборов явля-
ется цена деления, т. е. то изменение измеряемой величины, которому
соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. У цифро-
вых приборов шкалы в явном виде нет, и для них вместо цены деления
указывается цена единицы младшего разряда числа в показании прибора.
Погрешности СИ подразделяют на статические, имеющие место при
37
измерении постоянных величин после завершения переходных процессов
в элементах приборов и преобразователей, и динамические, появляющие-
ся при измерении переменных величин и обусловленные инерционными
свойствами СИ.
Систематические погрешности находят при проверке и аттестации
образцовых СИ, например измерение наперед заданных значений измеряе-
мой величины в нескольких точках шкалы. В результате строят кривую
или составляют таблицу погрешностей, которая используется для определе-
ния поправок. Поправка в каждой точке шкалы численно равна система-
тической погрешности и обратна ей по знаку, поэтому при определении
действительного значения измеряемой величины поправку следует приба-
вить к показанию СИ.
Динамические погрешности обусловлены инерционными свойствами
СИ и появляются при измерении переменных во времени величин (2.4).
Типичным случаем является измерение с регистрацией сигнала, изменяю-
щегося со временем.
Для краткости здесь и в последующем будем называть x(t) входным,
a y(t) выходным сигналами. Допустим, x(t) и y(t) — сигналы на входе и
на выходе СИ с чувствительностью К, тогда динамическая погрешность
i(t)=y(t)/k-x(t). (3.8)
Для СИ, являющихся линейными динамическими системами с сосредо-
точенными, постоянными во времени параметрами, наиболее общая харак-
теристика динамических свойств — дифференциальное уравнение. В этом
случае имеет место линейное уравнение с постоянными коэффициентами:
£ a.yM(t) = Ъ b.x^(t) ,
i=0 1 /=0 ’
где у^ (t) и (t) — i-e и у-е производные входного и выходного сигналов;
и Ь. — постоянные коэффициенты; п и т — порядок левой и правой
частей уравнения, причем п> т.
Дифференциальное уравнение является метрологической характерис-
тикой СИ, поскольку позволяет при известном сигнале на входе x(t) най-
ти выходной сигнал y(t) и после подставноки их в выражение (3.8) вы-
числить динамическую погрешность.
Для нормирования динамических свойств СИ часто указывают на
само дифференциальное уравнение, а другие производные от него дина-
мические характеристики находят, например, экспериментальным Пу-
тем. Сюда относятся передаточная функция, амплитудная и фазовая час-
тотные характеристики, переходная и импульсная переходные функции.
Обобщенной характеристикой СИ является класс точности, опреде-
ляемый пределами допускаемых основных и дополнительных погреш-
ностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осущест-
вляемых с их помощью измерений. Классы точности регламентируются
стандартами на СИ с использованием метрологических характеристик
и способов их нормирования, изложенных ранее.
Способы установления классов точности изложены в ГОСТ 8.401—80
”ГСИ. Классы точности средств измерения. Общие требования”.
38
Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности могут зада-
ваться либо в виде одночленной формулы
Д = ±а ,
либо в виде двучленной формулы
Д = ± (а + Ьх) ,
где Д и х представляется одновременно либо в единицах измеряемой
или воспроизводимой мерой величины, либо в делениях шкалы измери-
тельного прибора; аиЬ — положительные числа, не зависящие от х.
Более предпочтительным является задание пределов допускаемых
погрешностей в форме приведенной или относительной погрешности.
Пределы допускаемой приведенной основной погрешности нормируют
в виде одночленной формулы
6=Д/хн=±г, (3.9)
где число z выбирают из ряда z = 1 • 10й; 1,5 • 10”; 2 • 10й; 2,5 • 10”;
4 • 10”; 5 • 10”; 6 • 10" (п = 1; 0; —1; —2 и т.д.); *н — нормирующее
значение.
Пределы допускаемой относительной основной погрешности могут
нормироваться либо одночленной формулой
6 = Д/х= ±q , (3.10)
либо двучленной формулой
6 = Д/х=± [c + d(lxfc/xl-1)]. (3.11)
где хк — конечное значение диапазона измерений или диапазона значе-
ний воспроизводимой многозначной мерой величины; q, с и d — постоян-
ные числа, которые выбирают из того же ряда, что и число z.
В настоящее время существует три способа нормирования основной
погрешности СИ:
нормирование заданием пределов допускаемой основной абсолютной
+ Д или приведенной ± 6 погрешности, постоянных во всем диапазоне
измерения или преобразования;
нормирование заданием пределов допускаемой основной абсолютной
+ Д или относительной ± 6 погрешности в функции измеряемой величины
по (3.9) или (3.11);
нормирование заданием постоянных пределов допускаемой основной
погрешности, различных для всего диапазона измерения и одного или
нескольких нормированных участков или различных для разных диапазо-
нов измерения (для многопредельных приборов).
Средства измерений, пределы допускаемой основной погрешности
которых задаются относительной погрешностью по одночленной формуле
(3.10), присваивают классы точности, выбираемые из ряда чисел z и рав-
ные соответствующим пределам в процентах. Так, для средства измерений
с 6 =0,002 класс точности обозначают 0,2.
39
Если пределы допускаемой основной относительной погрешности
выражаются двучленной формулой (3.11), то класс точности обозначает-
ся как c/d, где числа с и d выбирают из того же ряда, что и z, но записывают
в процентах. Так, СИ класса точности 0,02/0,01 характеризуется предела-
ми допускаемой основной относительной погрешности (%):
8= + [0,0002 + 0,0001 (Ix^/xl -1)] =± [0,02 + 0,01 (Ix^/xl -1)] .
Классы точности СИ, для которых пределы допускаемой основной
приведенной погрешности нормируются по (3.9), обозначаются одной
цифрой, выбираемой из ряда для чисел z и выраженной в процентах. Если,
например, 6 = ± 0,005 = ± 0,5 %, то класс точности обозначают как 0,5
(без кружка), если нормирующее значение выражается в единицах вход-
ной или выходной величины, или как 0,5, если нормирующее значение
принято равным длине всей шкалы или длине какого-либо ее интервала.
Классы точности обозначают римскими цифрами или буквами латин-
ского алфавита для СИ, пределы допускаемой погрешности которых
задаются в форме графиков, таблиц или сложных функций, измеряе-
мой или воспроизводимой величины. К буквам при этом допускается
присоединять индексы в виде арабской цифры. Чем меньше пределы до-
пускаемой погрешности, тем ближе к началу алфавита должна быть бук-
ва и тем меньше цифра. Недостатком такого обозначения класса точности
является его чисто условный характер.
Вопросы для самоконтроля
1. Когда и как используется доверительный интервал погрешности?
2. Какие способы уменьшения (исключения) систематических и случайных
составляющих погрешностей вы знаете?
3. Какова методика обработки многократных наблюдений при прямых, кос-
венных и совокупных измерениях?
4. В каких случаях следует учесть корреляционные связи при суммировании
погрешностей средств измерения?
5. В чем сущность динамической погрешности средств измерений?
6. Что такое классы точности средств измерений и как нормируются классы
точности?
РАЗДЕЛ 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ И
ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ГЛАВА 4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ
§ 4.1. Основные виды моделей сигналов
Сигнал представляет собой физический процесс, отражающий состоя-
ние некоторой системы. В измерительной технике различают два типа
сигналов: образцовые и измерительные [1.2,1.4] .
Образцовыми называют сигналы, характеристики которых априор-
но известны. Образцовые сигналы формируются с помощью образцовых
мер и цифроаналоговых преобразователей. Образцовые сигналы позволя-
ют получить информацию о характеристиках изучаемых СИ; в этом случае
на вход СИ воздействуют соответствующими образцовыми сигналами,
а измерению подвергают сигналы на выходе, отражающие свойства изу-
чаемого объекта.
Измерительные сигналы в отличие от образцовых характеризуются
априорной неопределенностью значений некоторых своих параметров.
Если между параметрами сигнала и измеряемой величиной, характеризую-
щей состояние или свойства изучаемого объекта, существует известная
функциональная связь, то этот параметр называют информативным. При
отсутствии функциональной связи такой параметр относится к неинфор-
мативным. Один и тот же параметр сигнала может считаться как информа-
тивным, так и неинформативным в зависимости от того, какая физи-
ческая величина измеряется.
Сигналы на выходе СИ называют выходными. Сигналы, действую-
щие на входах СИ, называют входными измерительными сигналами. Ин-
формативные параметры входных измерительных сигналов функцио-
нально связаны с измеряемыми величинами. Информативные парамет-
ры выходных сигналов функционально связаны с информативными пара-
метрами входных измерительных сигналов.
При классификации сигналов учитывается прежде всего их принад-
лежность к основным видам физических процессов: механических, элект-
рических и магнитных, тепловых, акустических, световых. В зависимос-
ти от характера изменения во времени и в пространстве различают пос-
тоянные и переменные сигналы.
Измерительные сигналы, представленные физическими процессами,
закон изменения которых во времени и в пространстве носит непрерыв-
ный характер, называют непрерывными или аналоговыми. В отличие от
непрерывных областью определения характеристик дискретных сигналов
является множество определенных моментов времени или определенных
точек пространства.
Для представления процессов различной физической природы исполь-
зуют общие математические модели, описываемые функциями вида
41
х = F(t, z, co, —,A, В, C,...) ,
где x — информативный параметр сигнала; t, z, co — независимые аргумен-
ты (текущее время, координата точки в пространстве, частота); А, В,
С — параметры сигнала.
Выбор той или иной модели определяется при постановке задачи изу-
чения конкретной физической системы. В большинстве случаев использу-
ются модели сигналов, зависящие от одного независимого аргумента,
которым являются текущее время, координата точки, частота.
Используемые при решении задач измерения модели сигналов дол-
жны в наибольшей степени отражать существенные свойства изучаемых
процессов. Неадекватность модели, описывающей некоторый измеритель-
ный сигнал, реальному физическому процессу обусловливает возник-
новение специфической погрешности. Однако модель сигнала должна
быть по возможности простой, содержать минимально необходимое для
адекватного описания сигнала количество независимых аргументов и
параметров.
Реальные измерительные сигналы всегда наблюдаются в условиях
воздействия помех, т. е. представляют собой реализации случайного про-
цесса. Однако в значительном числе случаев в моделях измерительных
сигналов не отражается наличие случайной компоненты в изучаемом физи-
ческом процессе. Такие модели при наличии информации о значениях
параметров называют детерминированными. Детерминированные моде-
ли используются в основном лишь для описания образцовых сигналов
Квазидетерминированной называют модель, в которой значения од-
ного или нескольких параметров априорно неизвестны. Квазидетерми-
нированные модели используются для представления измерительных
сигналов, в которых влиянием случайной (шумовой) компоненты можно
пренебречь. Примером использования квазидетерминированной модели
может служить описание измерительного сигнала в виде гармонического
колебания с известной частотой, но не известной амплитудой.
В отличие от квазидетерминированной модели, позволяющей описать
закон изменения измерительного сигнала с точностью до неизвестного,;
параметра, модель случайного сигнала используют для представления
физических процессов, закон изменения которых во времени или в про-
странстве носит случайный характер. Модель такого сигнала представляет
собой описание статистических характеристик случайного процесса путем
задания плотности распределения вероятности, корреляционной функции,
спектральной плотности энергии и др.
§ 4.2. Формы сигналов и их характеристики
В измерительной технике используются различные преобразования,
” в том числе и такие, которые осуществляют квантование и дискретиза-
цию значений сигналов и их параметров.
Процесс квантования сводится к представлению бесконечного мно-
42
жества значений, которое может
принимать непрерывная физическая
величина с помощью ограниченного
множества допустимых значений.
Квантованным сигналом называется
физический процесс, основная ха-
рактеристика которого может при-
нимать только квантованные значе-
ния. На рис. 4.1, а приведен исход-
ный непрерывный сигнал х = F(t)
и соответствующий ему квантован-
ный сигнал х —F B(t) (рис. 4.1, б).
Измерительные сигналы, у кото-
рых независимая переменная отлич-
на от нуля только в определенных
точках пространства, в определен-
ные моменты времени или при
определенных частотах, называют-
ся дискретизированными. Дискрети-
зированный сигнал может быть полу-
чен с помощью соответствующей
процедуры как из исходного непре-
рывного (рис. 4.1, в), так и из
квантованного сигнала (рис. 4.1, г).
Применяя в определенной ком-
бинации процедуры дискретизации
и квантования, можно из исходной
формы непрерывного сигнала по-
лучить три производные формы:
непрерывный по времени и кван-
тованный по значению информатив-
Рис. 4.1. Формы измерительных сиг-
налов :
а - непрерывный сигнал; б - кванто-
ванный сигнал; в - дискретный сигнал
из непрерывного; г — дискретный сиг-
нал из квантованного
ного параметра сигнала;
дискретизированный по времени
или частоте с непрерывной по значению информативного параметра сиг-
нала;
дискретизированный по времени или частоте с квантованной по зна-
чению информативного параметра сигнала.
Дискретный характер изменения независимой переменной модели
сигнала может быть обусловлен самой физической природой процесса.
Так, из теории гармонического анализа известно, что спектр периоди-
ческого сигнала (представляет собой модель сигнала в частотной области)
отличен от нуля лишь при определенных значениях частоты. Однако кван-
тованные значения информативного параметра сигнала в виде ионизи-
рующего излучения связаны с физической природой процесса, представ-
ляющего собой поток дискретных частиц.
43
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите виды измерительных сигналов.
2. Какова общая математическая модель измерительного сигнала?
3. Приведите основные формы измерительных сигналов.
Г Л А В А 5. КВАЗИДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ
§ 5.1. Параметры квазидетерминированных сигналов
При описании квазидетерминированных сигналов широко используют
понятие элементарного сигнала. К элементарным относятся: постоянный
сигнал, единичный импульс и синусоидальный сигнал.
Модель постоянного сигнала представляется соотношением х = А,
где А = const. Единственным параметром постоянного сигнала является
значение А.
Единичный импульс описывается математической моделью вида
x^dft-tj,
где d(t - tj - дельта-функция, принимающая значение 0 при t Ф t и бес-
конечность — при t =t .
Единичный импульс является идеализацией реально наблюдаемых
импульсов конечной длительности и амплитуды. Единственным парамет-
ром единичного импульса является t , указывающее его положение на
оси времени.
Единичный импульс обладает следующими математическими свой-
ствами:
S °x(.t)d(t - tjdt = x(tK) . (5.1)
Это означает, что единичный импульс обладает стробирующим дей-
ствием. В частности, если x(t) — А — постоянный сигнал, значение которо-
го равно 1, то из (5.1) следует:
7 d(t-tK)dt=\,
т. е. площадь единичного импульса равна единице, что и объясняет назва-
ние элементарного сигнала.
Гармонический сигнал описывается моделью вида:
x(t) = A cos (со t + ф) = A cos (t + ф)
и имеет три параметра: амплитуду А, частоту ш (или период Т) и началь-
ную фазу \р.
Гармонический сигнал широко используется в измерительной технике
для анализа и синтеза измерительных сигналов.
Сложные квазидетерминированные сигналы могут быть представлены
с помощью элементарных сигналов путем разложения их в ряд по соот-
ветствующим функциям.
44
Важный класс сложных квазидетерминированных сигналов представ-
ляют периодические сигналы, математическая модель которых является
периодической функцией времени x(t) = x(t ± к Т), где Т — период, к -1,
2,3,...
Периодические сигналы могут быть представлены путем разложения
их в ряд Фурье:
x(t) =4^+^ Ак cos(k^t - ^ ) , (5.2)
т. е. ряд представлен элементарными гармоническими сигналами.
Другая форма записи ряда Фурье имеет вид
[B.cos(k^-t) + Ckcos(k ^-t)] . (5.3)
2 к=1 K 1 К 1
Нетрудно убедиться, что коэффициенты разложения в (5.2) и (5.3)
связаны между собой соотношениями:
Ак = ^Вк + Ск ’ = arct8 Ск/Вк
Периодические квазидетерминированные сигналы характеризуются
средним значением А 0:
До = -т- x(t)dt
7 -7/2
и частотным спектром, представляющим собой набор коэффициентов
(Ак, $к, к = 1, 2, ...) - амплитуд и фаз элементарных гармонических сиг-
налов:
^ = arctgC*/B*,
В. - -2г- / x(t) cos (к 2тт t/T)dt,
“%
С,. =-ъг-f x(t) sin(k 2irt/T)dt.
К 1 -ТЦ
Частотный спектр периодического сигнала имеет дискретный харак-
тер (рис. 5.1). В зависимости от решаемой задачи информативным в час-
тотной модели периодического сигнала может быть любой из параметров —
амплитуды гармоник, частота, фаза.
Рис. 5.1. Частотный спектр перио-
дического сигнала (с*До “ централь-
ная частота)
Рис. 5.2. Прямоугольные им-
пульсы
45
Частным случаем периодического сигнала является периодический
импульсный сигнал, который во временной области может быть описан
моделью вида:
(sft — кТУ при кТ< t < tn + кТ к = 0, ± 1, ± 2
x(t)=[o при кТ + tK < t < {к + 1) Т,
где s(t) — функция, описывающая форму импульса.
Если s(t) = const, то имеем последовательность прямоугольных им-
пульсов, которая характеризуется тремя параметрами: амплитудой, перио-
дом повторения Т и длительностью импульса f (рис. 5.2). Каждый из
этих параметров может быть информативным.
Для периодических импульсных сигналов определяют производный
параметр — скважность импульсов q :
«=Т1'К-
При анализе периодических сигналов произвольной формы широко
используются следующие характеристики:
среднее значение (постоянная составляющая):
* =
СР ' 0
средневыпрямленное значение
* в = -j-hx(t)\dt;
ср • в 1 о
действующее или суеднеквадратическое значение
Хсп кв =
ср. КВ 1 Q
В измерительной технике широко используется класс сигналов, кото-
рые характеризуются тем общим свойством, что все их спектральные
составляющие группируются в относительно узкой по сравнению с неко-
торой центральной частотой полосе частот.
Математическая модель подобных сигналов имеет вид
x(t)=A(t) costp(t), (5.4)
где_____________________
A(t)= + ,
q>(t)= wctgz(t)/x(t) ,.
(5.5)
где z(t) — новая функция, связанная с функцией x(t), описывающей исход-
ный сигнал соотношениями вида:
z(t)= - 4- -^Fdt’
x(t)= ~^dt.
-- OQ
Эти соотношения называются преобразованиями Гильберта, а функ-
ция z(t) — функцией, сопряженной по Гильберту функции x(t).
46
Из соотношений (5.4) и (5.5) следует, что функция x(t) представляет
собой проекцию вектора Aft) на ось абсцисс, относительно которой от-
считывается угол tpft). Кроме того, в точках, где функция zft) равна нулю,
имеет место равенство:
A(t) = x(t).
Нетрудно показать, что при z(t) = 0 имеет место дополнительно ра-
венство :
dA(t)/dt = dx(t)/dt.
Следовательно, в точках, в которых zft) =0, кривые Aft) и xft) имеют
общие касательные.
Из свойств преобразования Гильберта следует, что в точках, где zft)
обращается в нуль, функция xft) принимает значения, близкие к ампли-
тудным. Таким образом, функция Aft) является огибающей быстро ос-
циллирующей функции xft).
Если исходный сигнал записан в форме
x(t) = Aft) cos [a>of + </>(/) + <&)] .
то сопряженная по Гильберту функция zft) имеет вид
zft) = Aft) sin [coot +^>ft) + <p0]
В практике измерений изменяющихся во времени величин встречается
измеряемый сигнал, представляющий собой сумму двух гармонических
колебаний с близкими частотами gj, и ш2:
x(t) = Ax СО5Ш1Г+Л2 cosw2r,
причем
« I I со, + со2
Д со = I а>1 — gj2 I < —---—,
т. е. результирующий сигнал можно считать узкополосным.
Используя описанный подход, запишем
zftj^Ai sinojiT+Лг sina>2f
и, применяя (5.5), найдем огибающую сигнала:
A(t) = = Ai\/l + Л2 + 2Л cos Д coz ,
гдеЛ = Л2/<41; Дсо=со2—со,.
Аналогично можно найти полную фазу, а затем мгновенную частоту
и начальную фазу результирующего колебания.
Рассмотренный сигнал является примером так называемых почти
периодических сигналов, т. е. сигналов, образованных суммированием
независимых периодических процессов. Частотный спектр таких сигналов
является дискретным, хотя сами сигналы в общем случае не являются
периодическими. Пример спектра почти периодического сигнала приве-
ден на рис. 5.3.
47
Рис. 5.3. Спектр почти
периодических сигналов
Рис. 5.4. Переходные не-
периодические сигналы и
их спектры
В отличие от периодических и почти периодических сигналов неперио-
дические сигналы представляются непрерывным спектром. Примером
таких процессов являются сигналы, изображенные на рис. 5.4, а, б, в.
В измерительной технике процессы типа одиночного прямоугольного
импульса, экспоненциально затухающего колебательного сигнала встре-
чаются достаточно часто и потому их рассмотрение также представляет
интерес. Частотный спектр непериодических сигналов описывается (при
условиях абсолютной интегрируемости функции x(t) на интервале — 00 <
< t < 00) с помощью интегрального преобразования Фурье:
%(о>) = 7
Амплитудный спектр непериодических сигналов (рис. 5.4, а, б, в)
представлен на рис. 5.4, г, д, е.
В качестве информативных параметров непериодических сигналов
выступают амплитуда и длительность импульса (рис. 5.4, а), амплитуда
и постоянная времени затухания (рис. 5.3, б), амплитуда, постоянная
времени затухания, фаза и частота (5.3, в).
§ 5.2. Математическое описание
Для представления квазидетерминированных сигналов широко ис-
пользуют аппарат разложения сложных сигналов на сумму элементар-
ных, обладающих известными свойствами:
48
N
x(t)=T, Akyk(t),
k=\ K K
где Ak — коэффициент разложения, называемый спектром; ^>k(t) — эле-
ментарные функции.
Обычно для разложения используют систему функций, отвечающих
на некотором интервале времени (tn ^^к) условию ортогональности:
tk при к и;
t \ f 4>k(t)*n(t)dt = G к = 1,2,..., N-,
к " ‘п n=\,2,...,N.
Система функций $k(t) называется ортонормированной, если она
удовлетворяет также и условию:
fk 2
f ^k(t)=\.
Система ортогональных функций, используемых для разложения
сложного квазидетерминированного сигнала в ряд, называется обобщен-
ным рядом Фурье, а соответствующие коэффициенты разложения — обоб-
щенным спектром Фурье.
Наиболее часто используется разложение в ряд по системе тригоно-
метрических функций. В этом случае ряд Фурье имеет вид, описываемый
(5.2). Другая форма тригонометрического ряда Фурье — разложение по си-
стеме комплексных экспоненциальных функций
4>k(t) = exp (/ к w0
Находят также применение полиномы Лежандра, Якоби, ряд Котель-
никова и др. В цифровой обработке сигналов используется разложение
в ряд по системе функций Уолша, Хаара, Адамара и др. Выбор определен-
ного базиса для разложения некоторого квазидетерминированного сиг-
нала диктуется конкретными особенностями задачи. Общим соображе-
нием для выбора является минимизация погрешности представления
при заданном числе членов ряда, либо минимизация количества членов
ряда при заданной погрешности представления.
Непериодические квазидетерминиров энные сигналы представляются
с помощью соответствующего интегрального преобразования, базисом
которого могут быть указанные функции. Обобщенный спектр Фурье
непериодических сигналов имеет непрерывный характер.
Наряду со спектральным подходом к описанию квазидетерминировэн-
ных сигналов часто на практике оказывается полезной характеристика,
дающая представление о некоторых свойствах сигнала, в частности о ско-
рости изменения во времени, без разложения его на элементарные состав-
ляющие. В качестве такой характеристики широко используется авто-
корреляционная функция сигнала.
Для квазидетерминированных сигналов конечной длительности авто-
корреляционная функция определяется следующим соотношением:
А (г) = Цг — т) d т ,
'О 49
где т - временной сдвиг сигнала; К (т) - характеристика степени связи
(корреляции) сигнала x(t) с его копией, сдвинутой по оси времени.
При т=0 функция К (7) достигает своего максимума и принимает
значение, численно равное энергии сигнала.
С увеличением т функция К(т) убывает (не обязательно монотонно)
и при значении сдвига 7, превышающем длительность сигнала, обращается
в нуль.
Автокорреляционная функция квазидетерминированного сигнала свя-
зана со спектром W(со) преобразованием Фурье:
к^ = -пг [И'СЧ] ,
— со
И'(со) = J К(т) e~^Tdт.
— со
Таким образом, преобразование Фурье над автокорреляционной функ-
цией К(т) дает спектр плотности энергии W (со) квазидетерминированно-
го сигнала, а обратное преобразование позволяет получить автокорреля-
ционную функцию по известной спектральной плотности (спектру мощ-
ности) .
Из приведенных соотношений вытекают следующие свойства: чем
шире спектр сигнала, тем меньше время корреляции, т. е. значение сдви-
га т, в пределах которого автокорреляционная функция отлична от нуля;
автокорреляционная функция не зависит от фазовой характеристики
спектра сигнала; при одном и том же амплитудном спектре и разных
формах фазовой характеристики формы квазидетерминированных сиг-
налов существенно отличны, поэтому можно сделать вывод о том, что
различным по форме квазидетерминированным сигналам может соот-
ветствовать одна и та же автокорреляционная функция, математически
описывающая их общие свойства.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте понятие и укажите математический свойства единичного импульса.
2. Приведите математическое описание периодических сигналов.
3. Какой вид имеет автокорреляционная функция квазидетерминированных
сигналов?
4. Каковы основные свойства автокорреляционной функции квазидетермини-
рованных сигналов?
Г Л А В А 6. СЛУЧАЙНЫЕ СИГНАЛЫ
§ 6.1. Основные статистические параметры случайных
сигналов
Случайные измерительные сигналы следует рассматривать как случай-
ный процесс, представляющий собой совокупность случайных функций
времени (или координат пространства). Основной характеристикой слу-
50
чайного процесса является закон распределения вероятности мгновенного
значения случайной функции в определенный момент времени. Значения,
которые могут принимать отдельные функции в момент времени, соот-
ветствующий заданному сечению случайного процесса X(t), являются
случайными.. Статистические параметры сечения могут быть определены
по известной плотности распределения вероятности этих значений р(х).
Функция р(х) обладает тем свойством, что при любом непрерывном
распределении должно выполняться равенство единице интеграла f p(x)dx
— со
в пределах xmin = xmax, где xmjn и *тах — границы возможных значений
х [1.2] .
Если х — дискретная случайная величина, т. е. может принимать лишь
одно из конечного числа дискретных значений, то должно выполняться
N
условие: S р. = 1, где р.— вероятность 7-го уровня величины х.
i=l ' 1
Задание плотности вероятности р(х) позволяет оценить статистичес-
кие параметры сигнала в любом сечении путем усреднения значений х
(или функции от этих значений) по ансамблю реализаций. При этом могут
быть определены следующие параметры:
среднее значение (математическое ожидание, первый момент)
Mi = 7°x(t)p(x)dx ;
среднее значение квадрата (второй момент)
М2 = 7'X1(t)p(x)dx ;
средний квадрат отклонения (дисперсия)
D[x(t)] = М2 [x(t)] ~М\ \x(t)\ .
Если плотность распределения вероятности р(х) не зависит от выбора
’’временного” сечения, то такой случайный сигнал называют стационар-
ным. Значения математического ожидания и дисперсии стационарного
случайного сигнала не зависят от времени.
Для определения статистических параметров нестационарных случай-
ных сигналов необходимо использовать многомерную плотность распре-
деления вероятности:
PN lxi(ti),x2(t2),...,xN(tN)] .
В частности, использование двумерной плотности распределения веро-
ятности позволяет определить автокорреляционную функцию нестацио-
нарного случайного процесса:
K(ti,t2)=°f f x(tl)x(t2)p1 [x(tj),x(t2)] dttdt2 ,
— co — co
которая представляет собой статистически усредненное произведение
значений x(t) в момент времени и t2.
Для стационарного случайного процесса совместное распределение
вероятности зависит не от самих значений Zj и t2, а только от их разнос-
ти T=Z2 -Zj.
51
Важный класс стационарных случайных измерительных сигналов
представляют процессы, отвечающие условию эргодичности. Выполнение
данного условия позволяет вместо оценки статистических параметров
случайного сигнала путем усреднения по ансамблю реализаций определять
их путем временного усреднения одной реализации.
Для эргодического случайного сигнала x(t) среднее значение и авто-
корреляционная функция могут быть определены по одной реализации;
Л/1 [x(t)J = lim'-L $x(t)dt,
т т о
К(т)=1йл -±- fx(t)(t-r)dt. (6.1)
Г-°° Т о
В практике измерений случайных сигналов в большинстве случаев
используется допущение об их стационарности и эргодичности. Для кор-
ректности применения соответствующих методов оценки статистических
параметров необходимо в каждом конкретном случае осуществлять про-
верку, используя соответствующие критерии.
Проверка сигнала на стационарность осуществляется по следующей
процедуре. Достаточно длинную реализацию случайного процесса разби-
вают на N участков и для каждого участка определяют среднее значение
Mti (z = 1, 2, ..., N). Затем по совокупности значений . определяют сред-
нее значение по всей реализации Л/ и среднеквадратичные отклонения
М,.СяМ, {о,, ). Р
Критерием стационарности- процесса при этом является выполнение
условия:
°Л/1/М1ср<
где £ — заданное допустимое значение.
В качестве критерия эргодичности случайного сигнала используется
условие:
lim К (т) = 0.
Практическое применение этого критерия сводится к проверке нера-
венства: *
К <Tmax> < V >
где т’тах — максимальный интервал корреляции; v — заданное допустимое
значение.
§ 6.2. Характеристики случайных сигналов
Случайные измерительные сигналы могут характеризоваться в прос-
тейшем случае заданием своих моментов первого и второго порядка,
которые для стационарного эргодического случайного процесса имеют
смысл математического ожидания и среднего значения квадрата, опреде-
ленного по реализации процесса на интервале времени (О, Т). Более рас-
пространено использование дисперсии D, описывающей средний квадрат
52
отклонения процесса от среднего значения (центральный момент второго
порядка). Для характеристики степени статистической связи значений
сигнала в различные моменты времени используется автокорреляционная
функция, которая для стационарного эргодического сигнала может быть
определена с помощью формулы (6.1).
Значение автокорреляционной функции при 7=0, как нетрудно убе-
диться, равно среднему значению квадрата сигнала, а для центрированного
случайного процесса (процесса, представленного своим отклонением
от среднего значения) — его дисперсии.
Производной от автокорреляционной функции статистической харак-
теристикой центрированного случайного сигнала является коэффициент
корреляции (нормированная автокорреляционная функция):
г (т) = К(т)/К(0) .
Чем медленнее, плавнее изменяется во времени случайный сигнал,
тем больше промежуток времени т, в пределах которого наблюдается
статистическая связь между мгновенными значениями случайной функции.
Это сказывается и на форме корреляционной функции. Так, для некор-
релированных случайных сигналов (процесс типа ’’белого шума”) кор-
реляционная функция равна нулю для всех значений т, кроме 7=0, при
которых значение функции К(т) обращается в бесконечность. Подобный
шум, имеющий игольчатую структуру с бесконечно тонкими случайными
выбросами, иногда называют ’’дельта-коррелированным процессом”.
Дисперсия такого процесса бесконечно велика. Такой процесс, очевидно,
является математической идеализацией реально наблюдаемых сигналов,
автокорреляционная функция которых представляет собой крутой пик
при т=0 (рис. 6.1, а). В противоположность некоррелированным случай-
ным сигналам, автокорреляционная функция узкополосных процессов
представляет собой медленно затухающую периодическую функцию
(рис. 6.1,6).
Форма автокорреляционной функции тесно связана с энергетическим
Рис. 6.1. Вид корреляционной функции:
а — автокорреляционная функция дельта-коррелированного про-
цесса; б - автокорреляционная функция узкополосного сигнала
спектром случайного процесса. В соответствии с теоремой Винера—Хин-
чина автокорреляционная функция случайного процесса и его спектраль-
ная плотность энергии связаны между собой преобразованием Фурье.
Таким образом, как и для детерминированных сигналов, сужению
энергетического спектра процесса соответствует увеличение времени кор-
реляции. Для рассмотренного случайного сигнала типа ’’белого шума”
спектральная плотность энергии постоянна на всех частотах от — 00 до
°° (рис. 6.2, а), при этом К(т) имеет вид, представленный на рис. 6.2, б.
Однако рассматривая случайный сигнал, энергетический спектр которого
сосредоточен в бесконечно узкой полосе частот (рис. 6.2, в), получим,
что его автокорреляционная функция описывается незатухающей гармо-
нической функцией (рис. 6.2, г).
Автокорреляционная функция и спектральная плотность энергии
случайного процесса в большинстве случаев достаточно полно характе-
ризуют статистические свойства случайных сигналов. Благодаря нали-
чию тесной связи между W (jcS) и К(т) энергетический спектр случайного
сигнала можно определить как путем усреднения квадрата сигнала на
выходе системы узкополосных фильтров, так и путем измерения авто-
корреляционной функции с последующей вычислительной обработкой.
Использование автокорреляционной функции и энергетического спектра,
как правило, осуществляется при решении задач идентификации сигналов.
Рис. 6.2. Характеристики случайного сигнала:
а — спектр мощности сигнала типа ’’белый шум”; б — корреляцион-
ная функция сигнала типа ’’белый шум”; в - спектр мощности сиг-
нала с узкой полосой частот; г - коррреляционная функция сигнала
с узкой полосой частот
54
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы параметры случайных процессов?
2. Каковы основные статистические характеристики случайных измерительных
сигналов?
Г П А В А 7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
§ 7.1. Модуляция измерительных сигналов
Передача информации с помощью тех или иных физических процес-
сов осуществляется путем определенного изменения значений их парамет-
ров. Подобные операции называются модуляцией [1.1] . При модуляции
мгновенное значение первичного измерительного сигнала управляет одним
или несколькими (сложная модуляция) параметрами вспомогательного
сигнала, называемого несущим. В качестве несущего сигнала в измеритель-
ной технике используют:
постоянный сигнал zft) = xm ,
гармонический сигнал zft) = xm cos (gj0 t + </>),
периодическую последовательность импульсов.
Первый вид носителя имеет только один информационный параметр.
Модуляция в данном случае сводится к такому изменению значения этого
параметра, чтобы оно в определенном масштабе представляло передавае-
мую информацию.
Второй вид носителя — гармонический сигнал, содержит три таких
параметра: амплитуду, фазу, частоту (или период).
Третий вид носителя — периодическая последовательность импульсов,
предоставляет обширные возможности для выбора информативных пара-
метров, в числе которых могут быть амплитуда импульсов, фаза импуль-
сов, частота импульсов, длительность импульсов или пауз, число импуль-
сов во времени и комбинация импульсов и пауз, определяющая код.
В соответствии с выбором носителя и информативного параметра
различают следующие виды модуляции:
ПМ — прямая модуляция, обеспечиваемая изменением значения пос-
тоянного сигнала;
AM — амплитудная; ЧМ — частотная, ФМ — фазовая модуляции, обес-
печиваемые воздействием на соответствующий параметр гармонического
несущего сигнала;
АИМ — амплитудно-импульсная, ЧИМ — частотно-импульсная, ВИМ —
время-импульсная, ШИМ — широтно-импульсная, ФИМ — фазоимпуль-
сная, СИМ — счетно-импульсная, КИМ — кодоимпульсная модуляции,
обеспечиваемые воздействием на соответствующий параметр периодичес-
кой последовательности импульсных сигналов, используемых в качестве
несущих.
На рис. 7.1 приведены сигналы, различающиеся видами модуляции
для случая равномерного возрастания значения отображаемой -величины
x(t). Как видно, счетно-импульсная (СИМ) и кодоимпульсная (КИМ)
модуляции связаны с квантованием по уровню значений непрерывной
величины X. АИМ, ВИМ, ФИМ и ШИМ приводят к дискретности отсчетов
во времени. Другие виды модуляции сохраняют непрерывную структуру
информации.
Рис. 7.1. Виды модуляции измеритель-
ного сигнала
а)
х
Рис. 7.2. Амплитудно-
импульсная модуляция:
а - АИМ-1; б - АИМ-2
Рис. 7.3. Прямая модуляция:
а — форма модулированного сиг-
нала; б - частотный спектр
56
Амплитудно-импульсная модуляция имеет две разновидности:
АИМ-1, при которой амплитуда в пределах одного импульса повторя-
ет форму модулирующего сигнала (рис. 7.2, а);
АИМ-2, при которой амплитуда в пределах одного импульса не изме-
няется и равна значению модулирующего сигнала в момент, соответствую-
щий началу импульса (рис. 7.2, б).
Для восстановления значений модулирующего сигнала используют
операцию, обратную операции модуляции, которую называют демодуля-
цией или детектированием сигналов. Каждому виду модуляции соответ-
ствует определенный способ детектирования.
Выбор вида модуляционного преобразования основывается на требо-
ваниях, предъявляемых к точности передачи информативного параметра
и характеристикам используемых каналов связи. Математическим аппа-
ратом, позволяющим теоретически сопоставлять различные виды моду-
ляционных преобразований, является спектральный анализ.
Прямая модуляция. Форма модулированного сигнала и частотный
спектр носителя, промодулированного гармоническим сигналом частоты
£2, представлены на рис. 7.3, а, б. Информативный параметр (амплитуда)
несущего сигнала содержит модулирующий сигнал с постоянной состав-
ляющей А о:
x(t) =А0 + &хт cos Sit
В сигнале имеются две дискретные частоты: ы = 0 и w =fi. Ширина
спектра такого модулированного сигнала' составляет £2. В случае более
сложной модулирующей функции ширина спектра определяется гармони-
кой максимальной частоты этой функции.
Амплитудная модуляция. Амплитудно-модулированный сигнал в
общем случае описывается выражением
z(t) = x(t) cos(w0r + <&>) = Ио + ^x(t)} cos(u>02 + v>o),
где ^x(t) — модулирующая функция.
О)
S(UJ)
Рис. 7.4. Амплитудная модуляция:
a - форма модулированного сигнала; б - частотный спектр
57
О WgSl UJg wc+S2 W
Если Ax(t) представлена, как и выше, одним низкочастотным синусои-
дальным сигналом частоты £2 (рис. 7.4,а), то
z(t)=A0 [1 + mAMcos£2 Г] cosw0r, *
где = Ахт/А0 — глубина амплитудной модуляции, которая всегда
должна быть меньше 1 (здесь ^хт — девиация амплитуды, т. е. размах
между наибольшей и наименьшей амплитудами). Из последнего соотноше-
ния, разлагая произведение косинусов, получим
z(t)=A0{cosG>0t+-^- cos [(<о0 +£2)r] + -cos [(ш0 -£2)Г] } .
Спектр такого сигнала содержит частотные составляющие соо, со0 +
+ £2 и и>(| — £2 (рис. 7.4, б). Для более сложной модулирующей функции
ширина полосы частот модулированного сигнала получается равной двой-
ной ширине спектра Дх(Г).
Частотная и фазовая модуляции. При изменении частоты всегда из-
меняется фаза колебаний, а при изменении фазы меняется частота, поэ-
тому ЧМ и ФМ имеют общий характер, иногда их объединяют под общим
названием угловой модуляции.
Если модулирующая функция
Д со/7) = Д w cos£21 ,
а несущий сигнал представлен в виде стабильного по амплитуде перемен-
ного напряжения
z(t) = Ао cosip (г) = Ао cos $co(t)dt,
О
то модулированный сигнал
z(t) = A0 cos J [ш0 + Дши, cos £2 г] dt = Ао cos [со0г + ш sin £2г] ,
О т
где тц = (здесь Дсол - разность между наибольшим и наимень-
шим значениями частоты).
При фазовой модуляции осуществляется сдвиг фазы несущего сигна-
ла на kip(t) от средней фазы. При этом модулированный сигнал (в случае,
если модулирующий сигнал представлен косинусоидальной функцией)
zft) = Ао cos [со01 + <р0 + т cos £2 г] ,
где индекс модуляции т равен девиации (отклонению от среднего значе-
ния) фазы Д \рт-
Для случая т < 1 спектры ЧМ- и ФМ-сигналов, приведенные на рис.
7.5, имеют, как и при AM, три частоты: несущую о>0, верхнюю боковую
<о0 + £2 и нижнюю боковую со0 — £2.
При этом модулированный сигнал имеет вид
z(t) = Ао cos(cj0t +>ро) + cos [(ш0+£2)Г+ <р0] -
---cos [(ш0 - £2)Г + ipo]
* Здесь и далее для упрощения принято, что начальные фазы колебаний равны
нулю.
58
<5)
Рис. 7.5. Частотная и фазовая модуляции:
а — форма модулированного сигнала; б — частотный спектр
Различие состоит лишь в том, что нижняя гармоника получается со
знаком минус.
Однако при увеличении индекса модуляции т частотный спектр ЧМ-
или ФМ-сигнала сильно разрастается и его ширина превосходит спектр
AM-сигнала. В этом состоит недостаток ЧМ и ФМ.
Основным преимуществом ЧМ и ФМ перед ДМ является существенно
большая помехоустойчивость, которая характеризуется отношением сред-
ней мощности полезного сигнала &x(t) к средней мощности помехи. Для
дчдитивной помехи, имеющей равномерный энергетический спектр W
и полосе частот 2 £2 (от ш0 - £2 до + 52),т.е. в пределах ширины полосы
спектра полезного сигнала при модулирующей функции в виде гармони-
ческого сигнала, помехоустойчивость оценивается следующим образом:
Рлм= я Дх2 1(4 £2 W ) .
ИАМ т' ' п'
Максимум рАМ достигается при 100 %-ной модуляции, при которой
Д^=»о-
Помехоустойчивость при ЧМ для рассматриваемого модулирующего
сигнала и типа помехи 2
„ _ 3 7TXg , ^т\2п
Рь> ~ 4П3 3 ( " п~ ' РАМ 3тчРАМ
Таким образом, помехоустойчивость ЧМ значительно превышает поме-
хоустойчивость AM. Этот выигрыш достигается благодаря расширению
спектра сигнала, который при ЧМ занимает значительно большую полосу
(ориентировочно в т раз).
Импульсная модуляция. При импульсной модуляции используются
несущие сигналы в виде периодической последовательности импульсов,
которые могут быть представлены рядом Фурье:
z(t)= -L S A. eikw°r
2 к—— °°
Информационные параметры несущего сигнала — амплитуда импуль-
сов частоты соо и длительность импульсов т0 входят в выражение для
гармоник А^. Характер изменения параметров определяется видом им-
пульсной модуляции.
59
Для амплитудно-импульсной модуляции модулированный сигнал
имеет вид
ОО
z (t) =4- [А 0 + bx(t)] S А' d к “Оf,
2 к= °°
где 4' -А^/А 0 и А1/( — амплитуда к-й гармоники.
В простейшем случае, когда модулирующая функция содержит гар-
моническую составляющую
&x(t) = A«max cosJU
или
&x(t) = Д птах + е ~in * ] >
то модулированный сигнал z(t) будет иметь вид
| те4'е^“0г+4-Ддтах 2 A'ei(k^o+n)t +
к=— °°
1 00
+ -2-Дп S д' j (к^о - £~1) г
4 тахк=-тке
Таким образом, кроме основных составляющих, содержащихся в
спектре несущего сигнала (первое слагаемое), имеются дополнительные
составляющие, расположенные на частотах ka>o ± J2, т.е. по обе стороны
от основной на расстоянии ± J2 (рис. 7.6.).
При более сложной модулирующей функции Ax(t) по обе стороны
от каждой основной линии располагается полоса дополнительных состав-
ляющих, количество которых определяется полосой частот модулирующей
функции.
При использовании ВИМ и ЧИМ даже при элементарной модулирую-
щей функции с одной гармоникой вокруг каждой линии спектра несу-
щего сигнала располагается бесконечно большое число дополнительных
гармоник, амплитуды которых быстро убывают.
Из проведенного анализа следует важный вывод: характер спектра
при модуляции несущих импульсных сигналов изменяется и зависит от
вида модуляции, однако его ширина практически остается такой же, как
и для отдельного импульса (спектр одиночного импульса непрерывный).
Она определяется главным образом длительностью импульса. Анализ
помехоустойчивости, достигаемой при использовании импульсных видов
Рис. 7.6. Импульсная модуляция
модуляции, показывает, что наиболее
подвержена искажениям информация, пе-
редаваемая с помощью сигналов с ам-
плитудно-импульсной модуляцией.
Широтно-импульсная модуляция обес-
печивает большую помехоустойчивость,
чем амплитудно-импульсная. Еще_ лучшие
показатели помехоустойчивости обеспечи-
вает фазоимпульсная модуляция.
Наиболее высокая степень помехо-
60
устойчивости может быть обеспечена с помощью кодоимпульсной моду-
ляции (КИМ) и особенно в случае использования соответствующих кор-
ректирующих кодов. При КИМ мгновенные значения модулирующего
сигнала представлены в виде последовательности кодовых сигналов, кото-
рые передаются по каналу связи. Поскольку каждое мгновенное значение
моделирующего сигнала передается несколькими импульсами, следующими
через интервалы времени конечной длительности, для передачи КИМ-сиг-
налов требуются большие затраты времени, однако, как указано выше,
может быть обеспечена и большая степень помехоустойчивости'
В последнее время импульсные виды модуляции получают все боль-
шее распространение. Современная элементная база позволяет формиро-
вать несущие импульсные сигналы с высокой стабильностью как ампли-
тудных, так и временных характеристик, эффективно решать задачи уп-
равления амплитудой, длительностью и частотой импульсов.
§ 7.2. Масштабное преобразование сигналов
Масштабным линейным преобразованием называют операцию полу-
чения выходного сигнала, информативный параметр которого пропор-
ционален однородному информативному параметру входного сигнала.
Физическими величинами, над которыми осуществляется операция
масштабного преобразования, могут быть электрические напряжения
и ток, частота, число оборотов, перемещение, механический момент и
механическая сила, давление и др.
Наиболее удобной величиной при создании регулируемых масштаб-
ных преобразователей является электрическое напряжение, поэтому боль-
шинство аналоговых устройств предназначено для преобразования из-
мерительных сигналов в виде электрических напряжений.
Для преобразования постоянного электрического напряжения наи-
более широкое распространение получили операционные усилители и
резистивные делители напряжений. Коэффициент преобразования при
этом может находиться в диапазоне от 0 до 106.
Для преобразования сигналов в виде переменных электрических напря-
жений могут быть использованы также резистивные делители и усилители.
Кроме того, находят применение индуктивные делители напряжения,
делители на конденсаторах, измерительные трансформаторы напряже-
ния, которые широко используются при измерении больших по значению
напряжений.
Наиболее точное преобразование сигналов в виде переменного элек-
трического тока осуществляется с помощью трансформаторов тока, по-
грешность которых может достигать значения сотых долей процента. Из-
мерительные преобразователи тока незаменимы при измерении токов
от десятков ампер и выше. Для масштабного преобразования сигналов
в виде слабых токов используются измерительные усилители тока.
Масштабные преобразования сигналов, информативным параметром
которых является частота электрических колебаний, заключаются в
61
делении или умножении периода их повторения. Эта операция может про-
изводиться с очень высокой точностью на основе использования цифровых
пересчетных схем. Коэффициент преобразования при этом • изменяется
дискретно.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте понятие модуляции измерительного сигнала.
2. Какие виды модуляции вы знаете?
3. Приведите сравнительную характеристику видов модуляции.
4. Что такое масштабное преобразование?
РАЗДЕЛ 3. ОБРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Г Л А В А 8. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
§ 8.1. Дискретизация и восстановление непрерывных функций
При решении многих задач измерительной техники наряду с переда-
чей, хранением и отображением измерительной информации требуется
осуществлять ее обработку. Процесс обработки измерительной информации
нключает в себя большой спектр операций — дискретизацию, квантова-
ние, фильтрацию, статистическую обработку данных, автоматическую
коррекцию погрешностей, вычисление корреляционных функций и спект-
ров сигналов, техническую диагностику и распознавание образов и др.
В настоящем разделе уделяется внимание вопросам дискретизации,
квантования и фильтрации, являющимся основными операциями по обра-
ботке измерительной информации. Остальные операции последовательно
рассматриваются в последующих разделах книги.
При обработке измерительной информации цифровая дискретная
форма имеет значительные преимущества перед аналоговой. Процесс пре-
образования непрерывного сигнала x(t) в дискретную форму х(^) называ-
ется дискретизацией (квантованием) повремени [1.2] .
Таким образом, дискретизация представляет собой процесс получе-
ния мгновенных значений непрерывной функции в дискретные моменты
времени Г (где / = 1,2,3,...).
Квантование по уровню представляет собой преобразование множест-
ва значений сигнала xft^ в дискретное множество значений хк, где к = О,
1, ..., т - 1, при хк £ [xmjn, xmaJ , где xmin и хю - соответственно
минимальный и максимальный пределы изменения непрерывного сиг-
налах^).
Следовательно, непрерывный сигнал x(t) можно преобразовать в дис-
кретную форму по координатам х и t при совместном применении операций
дискретизации и квантования. Исходную функцию x(t) можно восстано-
вить по дискретным ее значениям х(Г) с некоторой погрешностью. Назо-
вем функцию восстановления x(t) по значениям xftj воспроизводящей
и обозначим ее через z(t):
т
z(t)=X bkf(t -tk)>
к=\ К К
где коэффициенты Ък зависят от отсчетов х(x(t{ _ l),...
Воспроизводящая функция восстанавливает исходную функцию *с
некоторой погрешностью и для возможности восстановления z(t) с задан-
ной погрешностью важен выбор числа точек дискретизации x(t), т. е. шага
дискретизации ДГ. = Г. - Г. _ г Чем меньше шаг Д Г., тем точность пред-
ставления функции z/r) выше, однако при этом проявляется избыточ-
ность и, следовательно, оптимальным будет такой шаг дискретизации,
при котором воспроизводящую функцию можно восстановить с задан-
ной погрешностью с минимальным числом выборок 63
Избыточные отсчеты приводят к загрузке аппаратуры, увеличивают
время обработки информации, вызывают дополнительные расходы, свя- J
занные с хранением и регистрацией данных.
Известны различные признаки дискретизации непрерывного сигнала,
однако ниже будут рассмотрены лишь равномерная и неравномерная дис- •;
кретизации (соответственно и процесс восстановления).
Дискретизация называется равномерной, если Д Т. = г - Г । =Д Т —
постоянная величина на всем отрезке [- Т, 7] обработки непрерывного
сигнала.
Выбор шага дискретизации или частоты опроса 1/Д7 осуществляется
на основе априорных сведений о характеристиках сигнала x(t). Важным
при установлении шага дискретизации является выбор способа восстанов-
ления сигнала x(t).
Методы равномерной дискретизации нашли широкое применение в
практике измерительной техники. Алгоритмы равномерной дискретиза-
ции и соответственно методы восстановления и аппаратурная реализация |
их достаточно просты. В ряде случаев в силу несоответствия между реаль-
ным сигналом x(t) и априорными сведениями о характеристиках послед-
него имеет место избыточность отсчетов.
Дискретизация называется неравномерной, если шаг ДГ. является
переменной величиной, при этом обычно рассматривают адаптивный и
программный методы дискретизации. При адаптивной дискретизации шаг
Д7\ выбирают в зависимости от характера изменения сигнала x(t) в рас-
сматриваемый промежуток времени, а при программном методе на основе
анализа текущего значения человеком-оператором либо по заранее уста-
новленной программе работы.
Неравномерная дискретизация может проводиться:
с кратными интервалами
Д 7;. = сДг ,
где с - 1, 2, 3, ...; Дг — некоторый фиксированный элементарный шаг;
с некратными интервалами •
Д7 < Д7. < ДГ
m in i max
где Д 7) — непрерывная величина.
Погрешность дискретизации Д/7) или соответственно восстановления
исходной функции имеет вид
h(t) = x(t) - z(t) ,
и оценка этой погрешности осуществляется следующими критериями.
При использовании критерия наибольшего отклонения
Д/7) = max I L(t)\ = max \x(t) - z(t)\
M /ед т.
должны быть известны априорные сведения о сигналах.
По среднеквадратическому критерию погрешность оценивается по
формуле
64
a = \/-J- Л \x(t)— z(t)\2 dt.
*Ti
При использовании среднеквадратического критерия сложность ап-
паратуры возрастает по сравнению с аппаратурой, использующей критерий
наибольшего отклонения. Интегральный критерий имеет вид
bft) = / A(t)dt,
*i 1..
а вероятностный критерии определяется соотношением
pUft) < A(t)0}=p0 ,
где &(t)0 - допустимое значение погрешности; р0 — допустимая вероят-
ность того, что погрешность не превысит значения &(t)0.
При рассмотрении в качестве исходной функции случайного процесса
числовая характеристика погрешности на рассматриваемом интервале
определяется как текущая среднеквадратическая погрешность:
o2A(t) = M[A2(t)] ,
где Aft) — случайная функция, реализацией которой является погреш-
ность t±(t).
Для множества реализаций критерий наибольшего отклонения запи-
шем в виде Ам = sup I Дм I; здесь верхнюю границу отыскивают по всем
реализациям x(t)uzft).
При равномерной дискретизации точки ’ отсчета располагаются равно-
мерно по оси Го- Если исходная функция xft) имеет ограниченный спектр
частот, то согласно теореме Котельникова функция xft) может быть вос-
становлена без погрешности по значениям выборок, взятых с частотой
2/м, где /м — максимальная частота в спектре сигнала. Таким образом,
Д7=1/2/м=тг/ом.
В измерительной технике сигналы, как правило, имеют бесконечный
спектр, поэтому теорему Котельникова обычно рассматривают как при-
ближенную для функций с неограниченным спектром. На практике частоту
отсчетов устанавливают по соотношению к. 2/, где кз — коэффициент
запаса, обычно принимаемый 1,5 < к^ < 6; /м - принятая ’’максимальная”
частота в спектре сигнала.
При адаптивной дискретизации в отличие от равномерной выбирают
лишь те точки ti и соответствующие выборки х(Р), по которым можно
носстановить исходный сигнал xft) с заданной погрешностью kft).
Часто ошибку дискретизации ошибочно принимают за динамичес-
кую погрешность цифрового СИ. Но ведь ошибка дискретизации не за-
нисит от скорости изменения измеряемой величины. В то же время по-
грешность восстановления является динамической, так как зависит от
частоты изменения измеряемой величины. Действительно, как показано
на рис. 8.1, а, погрешность воспроизводящей функции зависит от выбран-
ного способа восстановления, так как, соединяя точки прямыми или кри-
1 - 1431 65
Рис. 8.1. Квантование сигналов Xi(t)
ux2(tj-
а - сигнал xxft) отождествляется с
ближайшим уровнем квантования; б -
сигнал x2(t) отождествляется с ближай-
шим меныпим (или большим) уровнем
квантования
выми, можно допустить совершенно
различные погрешности.
В силу этого, указывая числен-
ное значение погрешности zft), нуж-
но обязательно оговорить способ
восстановления. В общем случае
методы восстановления делятся на
экстраполяцию, интерполяцию, ап-
проксимацию и приближения.
При экстраполяции (предсказа-
нии) кривая проводится в заданном
интервале по данным предыдущего
(одного или нескольких) отсчета.
Пусть необходимо восстановить кри-
вую непосредственно во время из-
мерений. Тогда алгоритм работы
СИ следующий: при получении теку-
щего отсчета вплоть до очередного (последующего) отсчета в этом интер-
вале индуцируется значение измеряемой величины предыдущего отсчета.
При интерполяции кривая восстанавливается по результатам двух
соседных отсчетов (или нескольких отсчетов), при этом воспроизводящая
функция проходит через дискретные отсчеты. При использовании аппрок-
симационного способа восстановления xft) на каждом участке между ее
известными значениями заменяется кривой.
Описанные способы восстановления строятся в предположении, что
каждый отсчет является точным и не содержит случайной составляющей
ошибки. При наличии многих отсчетов можно одновременно с восстанов-
лением осуществить усреднение случайной погрешности отдельных отсче-
тов и в этом случае проводят плавную кривую в среднем по всей совокуп-
ности точек, не требуя прохождения кривой через каждую из точек. Такое
восстановление называется приближением и может быть выполнено по
методу наименьших квадратов.
§ 8.2. Квантование по уровню непрерывной функции
Квантование по уровню сигнала xft) широко используется в измери-
тельной технике. Суть его заключается в следующем.
Непрерывные значения сигнала xft) преобразуются в диапазоне от
х . до х в моменты времени Г. в дискретное множество значений
г™'- УР°®неи квантования. Здесь квантование по уровню может быть
также равномерным и неравномерным. В первом случае весь диапазон
сигнала xft) разбивают на п одинаковых уровней — шагов квантования
Ук, под которым понимают ук - хк - хк р где хк и хк j — соседние
уровни квантования. При равномерном шаге квантования 7 = (.vmin -
- х )/п. При выбранном шаге квантования возможны следующие спосо-
бы отнесения зтачений сигнала xft) к соответствующему уровню квантования:
66
сигнал xft.) отождествляется с ближайшим уровнем квантования;
сигнал x(tt) отождествляется с ближайшим меньшим (или большим)
уровнем квантования.
На рис. 8.1, а показаны два варианта сигналов xt ft) и х2 ft). Для сигна-
ла xift) при первом способе значение xx(t.) сигнала принимают равным
уровню хк, по второму способу — равным х%_у. По обоим способам
тачение х2 (tj сигнала принимают равным уровню хк j (рис. 8.1,6).
Возникающая при квантовании по уровню погрешность Дх^ = x(ti) —
хк связана с заменой истинного значения сигнала xft) некоторым уров-
нем хк, при этом максимальное значение погрешности зависит от при-
нятого способа отождествления сигнала с уровнем квантования. Для пер-
вого из способов отождествления максимальная погрешность
1ДхЛ1тах= таХ 1х(^~хк^ =1к-
При втором способе отождествления, как видно из рис. 8.1, максималь-
ная погрешность квантования не превышает 0,5
Рассмотрим сигнал xftj = х как реализацию случайной величины X
с плотностью распределения р(х). В этом случае погрешность квантова-
ния равна Дх*. =х - хк- Для к-го уровня квантования (к =0, ..., п — 1),
если принять, что мал по сравнению с диапазоном измерения сигнала,
io математическое ожидание погрешности квантования М [Дх^] = 0,
а дисперсия
Д [Дх*] = ук [р(хкЬк ]. (8.1)
Из (8.1) видно, что D [Д^] представляет собой дисперсию равно-
мерно распределенного в этом интервале сигнала, умноженную на веро-
ятность попадания х в этот интервал.
В дипазоне изменения сигнала (х . — х ) дисперсия полной по-
лип max' г
грешности по всем уровня квантования
л-1 , п—1
D [Дх] = S D [Дх ] = -X- S Р(хк)13к .
к=0 К 12 fc=0 К К
Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность дискретизации и восстановления измерительной информации?
2. Каковы критерии оценки погрешности дискретизации?
3. Каковы критерии оценки погрешности восстановления?
4. Раскройте сущность квантования по уровню измерительного сообщения.
Г Л А В А 9. КОДИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Кодирование измерительной информации - это представление сооб-
щений в форме, удобной для передачи, приема и хранения. Обратная опе-
рация восстановления сообщения по принятому сигналу называется де-
кодированием. При этом под кодом понимают набор правил, по которым
составляются отдельные комбинации из элементов [1.2] .
67
Элементами кода являются символы и позиции. Число используемых
в коде символов образует основание кода т, а совокупность всех пози-
ций — разрядность кода п. Система счисления является частным случаем
кода. В зависимости от выбранного основания различают системы счис-
ления двоичную, троичную, восьмеричную и т.д.
Приведем пример. Пусть основание кода т = 2, т. е. рассматриваемый
код состоит лишь из двух символов 0 и 1, такая система счисления назы-
вается двоичной. При основании т = 10 (десятичная система счисления)
элементарными символами являются цифры от 0 до 9.
Общепризнанным в настоящее время является позиционный прин-
цип образования системы счисления, при этом полное число получается
суммированием значения по разрядам:
Q = S Ь. ... т1~'= Ь,т1~* + b. .ml~2+... + b2ml+b1m°,
l—l+l I * 1
где i — номер данного разряда; I — число разрядов; b^ — множитель, при-
нимающий любые целочисленные значения в пределах от 0 до т - 1 и пока-
зывающий, сколько единиц z-го разряда содержится в числе.
В измерительной технике наибольшее распространение получила дво-
ичная система счисления, которая технически реализуется значительно
проще, чем другие.
Для двоичного кода правила вычитания и умножения следующие:
Сложение Вычитание Умножение
0+0 =0 0-0=0 0-0=0
0 + 1=1 1-0=1 01=0
1+0=1 1-1=0 1-0=0
1 +1 =10 10 - 1 =1 1-1=1
Запись в двоичной системе счисления (в двоичном коде) приведена
в табл. 9.1.
Т а б л и ц а 9Л
Числа в двоичном коде
Натуральный ряд чисел Номера двоичных разрядов и соответствующие весовые коэффициенты
5 4 3 2 1
24 23 22 21 2°
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 1
2 0 0 0 1 0
3 0 0 0 1 1
4 0 0 1 0 0
68
Продолжение табл. 9.1
11атуральный ряд чисел Номера двоичных разрядов и соответствующие весовые коэффициенты
5 4 3 2 1
24 23 22 21 2°
5 0 0 1 0 1
6 0 0 1 1 0
7 0 0 1 1 1
8 0 1 0 0 0
9 0 1 0 0 1
Перевод любого десятичного числа в другую систему счисления осу-
ществляется следующим образом. Число в десятичной системе переводит-
ся в любую другую систему путем последовательного деления чисел на
основание другой системы и выписыванием остатков, которые составля-
ют число в данной системе.
Например, переведем число 27 в двоичный эквивалент:
27 : 2 = 13 13:6=6 6:2=3 3:2=1 1:2=0 остаток 1 остаток 1 остаток 0 остаток 1 остаток 1 ->
читаем остаток снизу вверх и имеем
27(Ю) = 11011(2)'
Число 1101 в двоичной системе счисления переводится в десятичную
систему следующим образом:
1101 (2) =1 • 23 + 1 • 22 + 0 - 21 + 1 •2°=8 + 4 + 0 + 1 =13П0) .
Во многих случаях получает применение двоичный рефлексный код,
или код Грея (по имени его изобретателя).
Учитывая возможные варианты, рассмотренный выще двоичный код
называют нормальным.
В отличие от нормального рефлексный код формируется по следую-
щему правилу. Двоичный код данного числа сдвигается на один разряд
иправо и суммируется с исходным по правилу mod2 (суммирование без
переноса единиц в старшие разряды).
Возьмем к примеру число 7, преобразование которого из нормального
двоичного в рефлексный выполнено в табл. 9.2.
Преимущество кода Грея заключается в том, что при переходе от
одного числа к другому изменения происходят только в одном разряде.
69
Таблица 9.2
Число в рефлексном виде
Весовые коэффициенты разрядов 23 22 2* 2°
Двоичный код числа 7 0 1 1 1
Сдвиг вправо на один разряд 0 0 1 1
Код Грея числа 7 0 1 0 0
Действительно, рассмотрим переходные положения между КОДОВЫМИ
обозначениями чисел 7 и 8 в двоичном коде и коде Грея по табл. 9.3.
Таблица 9.3
Сравнение чисел в двоичном коде и коде Г рея
Десятичное число Двоичный код Код Грея
7 0111 0100
8 1000 1100
Как видно из табл. 9.3, при переходе от числа 7 к числу 8 элементы
двоичного кода меняются во всех четырех разрядах сразу, а при коде
Грея - только в одном. Поэтому при возникновении ошибки считывания
погрешность двоичного кода достигает 100 %, а в коде Грея не превышает
единицы младшего разряда.
Двоичный код неудобен при вводе и выводе информации, так как
трудно оперировать с непривычными двоичными числами. Кроме того,
при больших числах (десятичных) запись двоичного кода становится гро-
моздкой. Поэтому на практике получили распространение такие системы
счисления, которые легко сводятся к двоичной, но в то же время сохра-
няют преимущества десятичных. К ним относятся восьмеричная, шест-
надцатеричная и двоично-десятичная. Последняя получила наибольшее
распространение в измерительной технике. Суть ее заключается в том,
что каждая цифра десятичного числа (тетрады) представляется четырех-
разрядным двоичным кодом. При этом наиболее целесообразным кодом
тетрады является 8—4—2—1.
В табл. 9.4 приведен двоично-десятичный код с весами 8-4-2-1.
Могут быть двоично-десятичные коды и с весами 5—1 —2—1 и 2—4—2—1.
70
Таблица 9.4
Числа в двоично-десятичном коде
Число в десятичном коде
О
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Двоично-десятичный код
свесами 8 4-2-1
0000 0000
0000 0001
0000 0010
0000 0011
0000 0100
0000 0101
0000 0110
0000 0111
0000 1000
0000 1001
0001 0000
Вопросы для самоконтроля
1. Каков принцип формирования рефлексного кода?
2. Каков принцип формирования двоично-десятичного кода?
Г Л А В А 10. ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
§ 10.1. Общие вопросы фильтрации
Фильтрацией в широком смысле называется любое преобразование
обрабатываемых сигналов с целью изменения соотношения между их
различными компонентами. Такое преобразование может быть как ли-
нейным, так и нелинейным. Из-за сложности анализа нелинейных систем
обработки сигналов большинство практически важных результатов полу-
чено для линейных фильтров. В то же время удовлетворительной моделью
большинства измерительных сигналов являются гауссовы случайные про-
цессы, т. е. процессы, плотность распределения вероятности которых под-
чиняется нормальному закону.
Для такого класса сигналов линейные фильтры обеспечивают возмож-
ность выделения с требуемыми показателями полезной информации из
смеси с помехой.
В настоящее время для фильтрации импульсных помех находят при-
менение нелинейные фильтры, в которых в качестве оценки информатив-
ного параметра сигнала используется медиана плотности распределения
вероятности. Однако по своей распространенности, математической обос-
нованности методы линейной фильтрации значительно превосходят методы
нелинейной фильтрации. Поэтому далее рассматриваются лишь первые.
Известно, что линейная динамическая система может быть представ-
лена с помощью передаточной функции, импульсной или переходной харак-
теристики. Передаточная функция линейной системы может быть
определена как отношение функций, представляющих собой частотные
спектры выходного и входного сигналов. Модуль передаточной функции
IН (jсэ) I называют амплитудно-частотной характеристикой системы.
Действие фильтра в значительной степени определяется скоростью
изменения амплитудно-частотной характеристики за пределами полосы
пропускания, т. е. крутизной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ):
ас = d I H(j со) I /d си .
Амплитудно-частотную характеристику удобно изображать в двойном
логарифмическом масштабе, откладывая по оси частот 1g со, а по оси ор-
динат In \H(j со) I. Соответственно логарифмическая крутизна
ае = d In IН (j со) I /d 1g co .
Логарифм крутизны является безразмерной величиной, не зависящей
от масштабов по осям координат, и измеряется в децибелах на октаву
(дБ/октава). Октава представляет собой единицу измерения интервала
частот, причем одна октава соответствует интервалу, в котором частота
изменяется вдвое.
Идеальным фильтром нижних частот называют фильтр с полосой про-
пускания от нуля до некоторой частоты ш,. Внутри интервала (0, со,)
АЧХ идеального фильтра постоянна, вне интервала - равна нулю.
Соответственно идеальный фильтр верхних частот имеет полосу про-
пускания от со2 до Идеальный полосовой фильтр имеет АЧХ, равную
нулю вне интервала (cot, со2). Идеальный заграждающий (режекторный)
фильтр имеет АЧХ, равную нулю в некоторой полосе частот, и постоянное
значение вне этого интервала.
Таким образом, АЧХ идеальных фильтров характеризуются бесконеч-
ной крутизной. Реальные фильтры в отличие от идеальных имеют АЧХ
с конечной крутизной характеристики.
В теории линейных систем используют понятие физически реализуе-
мой системы. Фильтр может быть физически реализуемым, если между
подачей сигнала на его вход и возникновением сигнала на выходе системы
имеет место причинно следственная связь, т. е. сигнал на выходе не может
появиться раньше, чем был подан сигнал на вход. Как известно, реакция
системы на входное воздействие в виде единичного импульса (дельта-
функции) называется импульсной характеристикой системы h(t). Таким
образом, для физически реализуемого фильтра необходимо, чтобы
h(t) = 0 при t < 0.
Это условие называется условием каузальности.
Вторым условием физической осуществимости фильтра является
затухание импульсной характеристики со временем:
h(t) -* 0 при t -> 00 .
72
Фильтр называют устойчивым, если выполняется условие абсолютной
интегрируемости импульсной характеристики:
J \h(t)\ dt < 00 .
— 00
В спектральной области устойчивость фильтра определяется критерием
Пэли—Винера:
7 In 1/7 (/G>)l d w < оо .
О 1+0
Согласно этому условию физически неосуществим фильтр, амплитуд-
но-частотная характеристика которого в некоторой полосе частот имеет
нулевые значения. Таким образом, рассмотренные выше идеальные филь-
тры являются физически нереализуемыми, так как их амплитудно-частот-
ные характеристики в соответствующей полосе частот равны нулю.
Фильтры, не удовлетворяющие условию физической осуществимости,
называют математическими фильтрами. Они могут быть осуществлены
в виде цифровой системы обработки сигналов.
§ 10.2. Аналоговая фильтрация
В числе основных задач фильтрации измерительных сигналов наиболь-
ший интерес представляют задачи выделения полезного сигнала, наблю-
даемого на фоне помех. Здесь можно указать следующие задачи:
обнаружение детерминированного сигнала известной формы на фоне
помех;
оценка информативных параметров квазидетерминированных сигна-
лов, наблюдаемых на фоне помех;
фильтрация случайных сигналов.
Обнаружение сигналов. Задача фильтрации в рассматриваемом случае
состоит в такой обработке смеси сигнала и помехи, которая обеспечила
бы максимальную вероятность правильного решения относительно нали-
чия сигнала в наблюдаемом случайном процессе. Форма сигналов известна,
в этом случае нет необходимости ограничивать искажения сигнала филь-
тром, поэтому необходимо в процессе фильтрации обеспечить максимально
возможное превышение амплитуды сигнала над помехой, использовав
для этого различия в свойствах сигнала и помехи.
Предполагается, что наблюдаемый случайный процесс представляет
собой аддитивную смесь полезного сигнала и помехи. Если спектр сигнала
равен 5(/ш), а спектральная плотность энергии помехи И7(/а>), то опти-
мальный фильтр обнаружения, как показано в теории статистических ре-
шений, должен обладать передаточной функцией, определяемой отноше-
нием
H(j со) = v) , (10.1)
W (;u>)
где 5* (/а>) — функция, комплексно-сопряженная по отношению к 5(/с°);
70 — момент времени, в который отношение сигнал/помеха достигает
наибольшего значения.
73
Оптимальный фильтр с ампли-
тудно-частотной характеристикой ви-
да (10.1) хорошо пропускает те
частоты, на которых он слабее
помехи. Однако фазочастотная ха-
рактеристика фильтра обеспечивает
синфазность всех частот сигнала в
момент времени t = t0, в который
Рис. 10.1. Характеристика сигнала: производится измерение выходного
а - непрерываная; б - импульсная напряжения фильтра.
Если помеха представлена не-
коррелированным случайным процессом типа белого шума (W(jco) =
= С2), то с точностью до постоянного множителя передаточная функция
оптимального фильтра определяется выражением
Н (j о>) =S*(jсо) .
Такой фильтр называется согласованным. Во временной области сог-
ласованному фильтру соответствует импульсная характеристика вида
h(t) = x(t0 -t),
т. е. импульсная характеристика согласованного фильтра является зер-
кальным отображением относительно момента наблюдения полезного сиг-
нала t0 (рис. 10.1).
Оценка параметров квазидетерминированных сигналов. Рассмотрим
задачу оценки информативного параметра Л сигнала xft) вида
xft) = А uft) ,
где uft) — известная функция времени, описывающая форму сигнала,
наблюдаемого на фоне помех со спектральной плотностью энергии W(/со).
В теории статистических решений показано, что рассматриваемая
задача решается с помощью оптимального фильтра, передаточная функция
которого совпадает с передаточной функцией фильтра обнаружения. Дай-
ное обстоятельство имеет вполне определенный смысл, так как для сни-
жения случайной погрешности оценки параметра А по результату измере-
ния выходного напряжения фильтра в момент времени г0 необходимо
добиться максимума превышения сигнала над помехой. Структура соот-
ветствующей линейной системы фильтрации приведена на рис. 10.2. Исход-
ный процесс zft), представляющий собой аддитивную смесь сигнала xft)
и помехи, умножается на образцовый сигнал u(t), формируемый генера-
тором Г в интервале времени (0, т0), усредняется в И и подвергается
линейному масштабному преобразованию П. Выходной величиной филь-
тра является оценка параметра А сигнала xft).
Образцовый сигнал lift) определяет импульсную характеристику филь-
,тра линейной оценки, которая, как и в рассматриваемом выше случае
обнаружения сигналов, должна быть согласована с формой полезного
сигнала.
74
Для линейной оценки параметров
сигналов, наблюдаемых на фоне не-
коррелированного шума, максималь-
ное значение выходного сигнала филь-
тра в момент времени t =t0
У(*о)= f x(r)h(t -T)dr =
0
= A fu2 (r)dr .
0
Таким образом, коэффициент мас-
штабного преобразования должен ус-
танавливаться исходя из соотношения
f о
K=Ufu(7)d7.
ПР о
Рис. 10.2. Структура линейного филь-
тра:
И - интегратор; Г — генератор; П -
преобразователь
Точность линейной оценки параметра сигнала на основе использования
согласованного фильтра в случае, если форма реального сигнала отлич-
на от формы, описываемой функцией uft), может резко ухудшиться. Поэ-
тому такие фильтры находят применение при решении задач оценивания,
и которых неизвестным является только информативный параметр.
Фильтрация случайных сигналов. Если форма входного сигнала неиз-
нсстна, то описанный выше подход не позволяет реализовать оптимальную
фильтрацию процесса. Задача фильтрации здесь реализуется на основе ис-
пользования статистического критерия, обеспечивающего минимум дис-
персии воспроизведения полезного сигнала. Чтобы этот критерий был
применим, необходима априорная информация как о статистических ха-
рактеристиках помехи Zft), так и о статистических характеристиках полез-
ного сигнала xft), который считается случайным. Выходной сигнал филь-
тра в этом случае представляется связанным с некоторым входным линей-
ным преобразованием:
У ft) =L{x(t) ) .
Это преобразование выбирают по условию задачи и при синтезе филь- ,
тра предполагается, что оно известно. Например, можно потребовать,
чтобы выходной сигнал совпадал со входным:
У ft) = x(t).
Другое условие, используемое при решении задачи экстраполяции
сигналов, имеет вид
y(t) = х(Т+Дг) .
При Дг > 0 фильтр, реализуемый в соответствии с этим условием,
обеспечивает прогнозирование случайного сигнала в момент времени
/ + Дт по его искаженным помехой значениям до времени t. Тип задан-
ного линейного преобразования сигнала может быть и более сложным.
В общем случае выходной процесс представляется в виде
zft) = L{x(t)} + Zft), где Zft) - помеха на выходе фильтра.
75
Синтез фильтра в этом случае осуществляется в соответствии с крите-
рием:
b2 = М \z(t) -y(t)] 2 = min ,
где М — обозначает операцию статистического усреднения.
Как показано в теории статистических решений, импульсная характе-
ристика оптимального фильтра в рассматриваемом случае определяется
на основе решения интегрального уравнения Колмогорова—Винера, кото-
рое для непрерывных процессов имеет вид
fJ(r)Kr(t-t)dT=Kry(r),
где Л(т) — искомая импульсная характеристика фильтра; Kr(t — т) —
автокорреляционная функция входного процесса; К (г) — взаимная
корреляционная функция полного входного процесса хft) + t(t) и выход-
ного сигнала у (t).
В спектральной области оптимальный фильтр определяется передаточ-
ной функцией вида
H(ju) = Grz(j^/Wr(jcv) ,
где G (j со) - Фурье-преобразование взаимной корреляционной функции;
W? О М — спектральная плотность энергии входного процесса.
При решении задачи оптимального воспроизведения входного сигнала
(у ft) = x(t)) , не зависящего от помехи, имеет место равенство
Кгу (т) = М([xft) + $(t)] х (t - т) J = Кх(т) ,
где К (т) — автокорреляционная функция сигнала х(t).
Поэтому уравнение Колмогорова-Винера принимает вид
^h(y)Kr(t-T)d7=Kx(7) ,
или
Н (f со) = --------------- ,
wx а со) + w О’ СО)
где Wx (j со) и (/ со) — спектральные плотности энергии полезного сиг-
нала и помехи соответственно.
Данный фильтр по помехоустойчивости уступает фильтру обнаружения,
который обеспечивает концентрацию энергии сигнала в определенный мо-
мент времени. Однако данный фильтр обеспечивает минимальные искаже-
ния сигнала. При высоком отношении сигнал/помеха Wx(jcd)IW (/со)
имеем = 1 и выходной сигнал практически не искажается, но на
частотах, где доминирует помеха [W* (/со) » Wx(jсо)] ,//(/'со) =0 и
сигнал подвергается сильному искажению. В то же время никакой другой
фильтр не в состоянии обеспечить лучшего результата, каким бы плохим
ни был полученный.
Наряду с рассмотренными задачами обработки случайных процессов
в измерительной технике фильтрация используется и для обработки ква-
зидетерминированных сигналов, например для анализа частотного спектра
76
<j CO)
сигналов (анализатора спектра), выделения узкой полосы спектра, в
которой сосредоточен основной полезный сигнал сглаживания, и др.
§ 10.3. Цифровая фильтрация
В большинстве практически важных случаев измерительной техники
реализация фильтров с заданной передаточной функцией в виде аналого-
вых устройств оказывается весьма сложной задачей. Нестабильность пара-
метров устройства обработки вызывает неконтролируемые изменения
(погрешность) выходного сигнала, что является одним из основных недос-
татков аналоговых фильтров.
Цифровой фильтр (ЦФ) представляет собой цифровое устройство,
реализующее в общем случае решение уравнения в конечных разностях
следующего^вида:
ук = \ук -i + EJixk-i> <10-2>
] ~-1 I
где хк, ук — отсчеты выходного и входного сигналов фильтра соответ-
ственно; dj, bt — константы.
Если известны коэффициенты а. и Ьр отсчеты входного сигнала
при i -N + 2 и начальные значения У_1,у_2, —, У+ j> то, используя
приведенное выражение, можно рассчитать отсчеты у. для любого i > 0.
При цифровой фильтрации входной и выходной сигналы являются
цифровыми. Так как операция умножения отсчетов цифрового сигнала
на число выполняется неточно за счет округления или усечения произведе-
ний, то в общем случае цифровое устройство неточно реализует указанный
алгоритм и выходной сигнал отличается от точного решения уравнения.
Однако в ЦФ погрешность выходного сигнала не зависит от условий, при
которых работает фильтр — температуры, влажности и т.п. Кроме того,
эта погрешность контролируема. Ее можно уменьшить, увеличивая число
разрядов, используемых для представления отсчетов цифровых сигналов.
Именно этим определяются основные преимущества ЦФ по сравнению с
аналоговым — высокая точность обработки сигналов и стабильность ха-
рактеристик.
Основные недостатки цифровых фильтров следующие:
относительно низкая скорость обработки информации, которая огра-
ничивается быстродействием используемых устройств цифровой обработки;
необходимость использования на входе и выходе аналого-цифровых
и цифроаналоговых преобразователей;
относительно большая потребляемая мощность;
относительно высокая стоимость.
Отмеченные особенности позволяют считать ЦФ перспективными
главным образом при значениях частот дискретизации до сотен килогерц.
Цифровой фильтр, реализующий алгоритм (10.2), называется рекур-
сивным. В большинстве практически важных случаев алгоритм функцио-
нирования рекурсивного фильтра может быть представлен в более простом
виде:
77
TV- 1
Ук = ь'хк + ?“;Ук
Если в (10.2) все коэффициенты а- положить равными нулю, то полу-
чим алгоритм, описывающий функционирование нерекурсивного цифро-
вого фильтра:
ук = ^Ъ1хк-Г
Нерекурсивный фильтр иначе называют трансверсальным. Для реали-
зации алгоритма цифровой фильтрации с помощью трансверсального филь-
тра на один отсчет выходного сигнала необходимо выполнить N операций
умножения и N — 1 операцию сложения.
В отличие от трансверсального рекурсивный фильтр требует меньшего
числа операций на один отсчет, так как он использует результаты предыду-
щих вычислений 1№ < 7VI. Это преимущество в быстродействии застав-
ляет искать возможность аппроксимации требуемого фильтра рекурсив-
ным. Например, для решения часто встречающейся в измерительной тех-
нике задачи вычисления текущего среднего значения сигнала на данном
отрезке времени алгоритм функционирования трансверсального фильтра
имеет вид
1 N~l
Ук = S хк
К N 1=0 К — !
Здесь на каждый отсчет необходимо выполнить N сложений. Не-
трудно видеть, что та же задача может быть решена с помощью рекурсив-
ного фильтра:
хк ~ хк —N — 1
Ук = Ук-1+ N ' •
Таким образом, можно вычислить текущее среднее значение сигнала,
используя только три операции сложения вместо N. Необходимо отметить,
что число операций здесь не зависит от количества отсчетов, по которым
происходит усреднение.
Цифровая фильтрация измерительных сигналов в настоящее время
интенсивно развивается на основе использования новейших достижении
вычислительной техники. В последние годы появились специализирован-
ные процессоры в интегральном исполнении для обработки измеритель-
ных сигналов, имеющие в своем составе АЦП на входе и ЦАП на выходе
и позволяющие использовать методы цифровой фильтрации при обработ-
ке аналоговых сигналов без дополнительных аппаратных затрат. Благода-
ря использованию новых идей в области реализации алгоритмов быстрого
преобразования Фурье (БПФ), существенно повышается скорость циф-
ровой обработки сигналов, что позволяет расширить частотный диапазон
измерительных сигналов, которые могут быть обработаны с помощью ЦФ.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте понятие фильтрации сигнала.
2. Назовите условия осуществимости фильтра.
3. Какие задачи аналоговой фильтрации сигналов вы знаете?
78
РАЗДЕЛ 4. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
АНАЛОГОВЫМИ И ЦИФРОВЫМИ ПРИБОРАМИ
ГЛАВА 11. АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
§ 11.1. Электромеханические измерительные механизмы и приборы
Аналоговые электромеханические измерительные приборы имеют
широкое распространение. Структурная схема электромеханического
прибора изображена на рис. 11.1. Она включает в себя измерительную
цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. Измерительная
цепь служит для преобразования входного сигнала в промежуточную
величину, непосредственно воздействующую на измерительный меха-
низм. Использование в качестве измерительной цепи преобразователей
рода величин (выпрямительного, термоэлектрического и др.) опреде-
ляет название прибора [1.6,1.7,1.10] .
Измерительный механизм преобразует входной электрический сигнал
в механическую энергию перемещения подвижной части. Перемещение,
как правило, представляет собой поворот подвижной части относительно
неподвижной оси на угол а.
Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с под-
вижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Под-
вижная часть преобразует угловое перемещение механизма в перемещение
указателя, при этом величина а отсчитывается в единицах деления шкалы.
Вращающий момент Мвр, действующий на подвижную систему, опре-
деляется производной от энергии поля по углу отклонения подвижной
части:
^Bp=^^/da, (11.1)
где Wj — энергия магнитного поля системы контуров с токами или энер-
гия электрического поля системы заряженных тел.
Вид функции (11.1) для каждого конкретного электромеханического
прибора приведен в табл. 11.1.
В зависимости от характера явления, используемого для создания
вращающего момента, различают следующие системы электромеханичес-
ких измерительных механизмов и приборов: магнитоэлектрическую,
Рис. 11.1. Структурная схема электромеханического изме-
рительного прибора
79
электромагнитную, электродинамическую, электростатическую, индук-
ционную.
В любом электромеханическом преобразователе действует также
уравновешивающий противодействующий момент Ма, зависящий от а и
направленный в сторону, обратную М .
В зависимости от способа создания противовоздействующего момента
электромеханические преобразователи (приборы) подразделяют на две
группы:
с механическим противодействующим моментом;
с электрическим противодействующим моментом (логометры).
Та бл и ца 11.1
Характеристика электромеханических измерительных механизмов
Тип изме-
рительно-
го меха-
низма
Кинематическая схема
механизма
Вращаю- Уравнение Примечание
щий мо- шкалы
мент
Магнито-
электри-
ческий
M=BsWI а=^-
W
или
a=SI
1 — ток в обмотке
рамки, 5 - чувст-
вительность, s — ак-
тивная площадь рам-
ки, w — число вит-
ков обмотки, В —
индукция, W — удель-
ный противодейству-
ющий момент
80
Продолжение табл. 11.1
Тип изме- Кинематическая схема
рительно- механизма
го меха-
Вращаю- Уравнение
щий мо-
мент
Примечание
низма
Электро-
динами-
ческий
Общее выражение
w
dMi2
da~^ * da
Дли переменного
тока
M=/]/2x а=—х
W
>cosi//X Xcosyx
X dMl’2 x dMl’l
da da
- ток подвижной
катушки, /2 - ток
неподвижных кату-
шек, М]>2 - взаим-
ная индуктивность
между подвижными
и неподвижными
катушками, — угол
сдвига между тока-
ми Ц и /2
Фсрроди-
намичес-
кий
М= К\В12* а=К11121 К,Кг - коэффи-
7 xcos(B,/2) x.cos(/j,/3) циенты,определяемые
конструкцией изме-
рительных механиз-
мов и выбором сис-
темы единиц
Электро-
статичес-
кий
М= — п2Х«= — и2
2 2W
v dC dC
* da da
X
и — напряжение меж-
ду электродами, С -
емкость между
электродами
8!
В приборах первой группы механический противодействующий момент
создается с помощью спиральных пружинок или тонких нитей — растяжек
или подвесов.
При повороте подвижной части эти упругие элементы закручиваются
и создают противодействующий момент
Ma=Ga, (11.2)
где G — удельный противодействующий момент, зависящий от свойств
применяемых упругих элементов.
В приборах второй группы противодействующий момент создается
так же, как и вращающий момент.
При установившемся отклонении подвижной части вращающий и
противодействующий моменты оказываются равны между собой:
мвр = ма. (11.3)
Подставив (11.1) и (11.3) в (11-2), получим в общем виде уравнение
преобразования для измерительного механизма:
а = F(x),
которое называется также уравнением шкалы.
В табл. 11.1 приведены уравнения шкал для различных измерительных
механизмов. Кроме указанных моментов на подвижную часть измеритель-
ного механизма действуют моменты, обусловленные трением в опорах,
трением подвижной части о воздух и вихревыми токами, возникающими
от взаимодействия металлических масс и магнитных полей.
Для уменьшения времени успокоения подвижной части в измеритель-
ный механизм вводят успокоитель, создающий момент успокоения.
Этот момент направлен в сторону, противоположную направлению
движения подвижной части, и равен нулю в состоянии равновесия. Момент
успокоения пропорционален коэффициенту успокоения и угловой ско-
рости движения подвижной части. Кроме перечисленных электромехани-
ческих приборов применяются также тепловые, вибрационные и др.
Рассмотрим особенности и принципы действия электромеханических
измерительных механизмов.
Магнитоэлектрический измерительный механизм состоит из постоян-
ного магнита I с полюсами N - S, неподвижного цилиндрического сердеч-
ника 2 с рамкой, двух спиральных противодействующих пружинок и
стрелки 3, жестко укрепленной на подвижной оси.
Вращающий момент создается в результате взаимодействия магнит-
ного потока постоянного магнита и тока, проходящего по катушке; про-
исходит отклонение подвижной части измерительного механизма относи-
тельно неподвижной. Различают механизмы с подвижной рамкой и под-
вижным магнитом. Наиболее распространены механизмы с подвижной
рамкой. По конструкции магнитной системы измерительные механизмы
подразделяют на механизмы с внешним и внутрирамочным магнитом.
Измеряемый ток проходит в обмотку через две спиральные пружины,
которые одновременно создают противодействующий момент.
82
Из уравнения шкалы магнитоэлектрического механизма (табл. 11.1)
видно, что шкала равномерная.
К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмов
относятся высокая чувствительность, большая точность, незначительное
влияние на режим работы внешних магнитных полей.
Недостатками магнитоэлектрических механизмов являются сложная
и дорогая конструкция, возможность использования лишь в цепях пос-
тоянного тока.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим
противодействующим моментом применяются в амперметрах и гальвано-
метрах постоянного тока, а также в некоторых типах омметров.
В магнитоэлектрических логометрах противодействующий момент
создается не механическим путем, а электрическим. С этой целью подвиж-
ную часть выполняют в виде двух жестко скрепленных между собой рамок,
по обмоткам которых проходят токи Ц и /2- Для создания противодей-
ствующего момента пружинки не используются, а ток к обмоткам под-
водится с помощью безмоментных проводников. На рамки действуют
моменты, направленные в противоположные стороны. Один из моментов
можно считать вращающим, а другой — противодействующим.
При этом зависимость угла поворота является функцией отношения
токов:
a = F(h/I2).
Принцип действия электромагнитных измерительных механизмов
основан на взаимодействии магнитного поля, созданного неподвижной
катушкой, по обмотке которой протекает измеряемый ток I, с подвижным
сердечником, эксцентрично насаженным на ось вращения. Противодей-
ствующий момент создается спиральными. пружинами. Измеряемый ток
при прохождении по катушке 1 создает магнитное поле, которое, воздей-
ствуя на подвижный сердечник 2, стремится расположить его так, чтобы
энергия магнитного поля была наибольшей. При этом закручивается пружи-
на, перемещая стрелку 3, и возникает противодействующий момент М&
Электромагнитные приборы могут применяться для измерений в цепях
постоянного и переменного токов. Форму сердечника подбирают так,
что шкала становится практически равномерной, начиная с 15 — 20 %
ее конечного значения.
Электромагнитные измерительные механизмы используются в ам-
перметрах, вольтметрах, фазометрах и частотомерах. Главными достоин-
ствами электромагнитных приборов являются простота их конструкции,
способность выдерживать большие перегрузки, возможность применения
для измерений в цепях постоянного и переменного токов. Недостаток
этих приборов — малая точность и невысокая чувствительность.
Принцип действия измерительных механизмов электродинамичес-
кой системы основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной
I и подвижной 2 катушек с токами Ц и 12 Неподвижная катушка обыч-
но состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором.
83
Благодаря этому обеспечивается требуемая конфигурация магнитного
поля и удобство расположения оси 3. Подвижная катушка, укрепленная
на оси или растяжках, может поворачиваться внутри неподвижной.Непод-
вижная и подвижная катушки механизма имеют круглую и прямоуголь-
ную форму. Они изготовляются из медного или алюминиевого провода
и обычно бывают бескаркасными. При одновременном изменении направ-
ления токов Ц и 12 знак угла отклонения не меняется. Поэтому приборы
в этой системе могут применяться для измерений как постоянного, так
и переменного тока.
Основными достоинствами электродинамических механизмов явля-
ются высокая точность и стабильность показаний во времени. К недостат-
кам относятся малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей
на показания прибора, большая мощность потребления, ограниченный
частотный диапазон.
Электродинамические механизмы используются в амперметрах, воль-
тметрах, ваттметрах высоких классов точности 0,1; 0,2; 0,5 для измерений
на постоянном и переменном токах, а также в фазометрах.
В ферродинамическом измерительном механизме неподвижная катуш-
ка 1 имеет магнитопровод из магнитомягкого материала, что приводит
к существенному возрастанию магнитного потока и, следовательно, вра-
щающего момента катушки 2. В результате уменьшается собственное по-
требление мощности и влияние внешних магнитных полей.
Точность ферродинамических приборов ниже, а частотный диапазон
уже по сравнению с диапазоном электродинамических приборов. Ферро-
динамические приборы используются в качестве щитовых и переносных
приборов переменного тока, а также самопишущих приборов.
Работа электростатических измерительных механизмов основана
на взаимодействии двух систем заряженных электродов I и 2, одна из
которых подвижная. Перемещение подвижной части 2 осуществляется под
действием непосредственно приложенного напряжения, что приводит к
изменению емкости системы. В указанных измерительных механизмах
изменение емкости происходит либо вследствие изменения активной
площади пластин (см. табл. 11.1), или при изменении расстояния между
пластинами. Первые используются в щитовых и переносных вольтметрах
на напряжения от десятков до сотен вольт, вторые — в щитовых кило-
вольтметрах.
Угол поворота подвижной части измерительного механизма пропор-
ционален квадрату значения напряжения и множителю dc/da, поэтому
выбором формы подвижных и неподвижных пластин можно добиться
практически равномерной шкалы на участке от 15 до 100 % верхнего
предела измерения.
Электростатические приборы практически инварианты к изменению
температуры, частоты, формы кривой приложенного напряжения и внеш-
него магнитного поля. Собственное потребление мощности приборов
на переменном токе мало, а на постоянном токе — практически равно
нулю.
84
Электростатические вольтметры используются для измерения напря-
жения в широком частотном диапазоне (от 20 Гц до 30 мГц) в маломощ-
ных цепях, а также в цепях высокого напряжения до сотен киловольт.
Класс точности приборов соответствует 1,0; 1,5; 2,5; однако они могут
быть выполнены и более точными — класса 0,1 и 0,05.
Принцип действия индукционного измерительного механизма ос-
нован на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных
потоков с токами, индуцированными ими в подвижном алюминиевом
диске. Для создания вращающего момента необходимо иметь не менее
двух переменных магнитных потоков или двух составляющих одного
потока, сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве.
В зависимости от числа потоков, пересекающих подвижную часть,
индукционные механизмы могут быть одно- и многопоточными. В настоя-
щее время наиболее широкое применение находят многопоточные измери-
тельные механизмы при создании счетчиков электрической энергии.
Подсчет израсходованной активной энергии осуществляется по числу
оборотов п диска с помощью счетного механизма.
При реализации различных задач измерительной техники совместно
с электромеханическими приборами находят применение шунты, дели-
тели напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Шунт является преобразователем тока в напряжение и представляет
собой резистор специальной конструкции. Применяется в основном в
цепях постоянного тока с магнитоэлектрическим измерительным прибо-
ром и предназначен для расширения пределов измерения в п раз. Сопротив-
ление шунта определяется из следующего выражения:
R =R /(л-1),
ш и' v ’ ’
где /?и — сопротивление измерительного механизма; п = 1/1^ — коэффици-
ент шунтирования; I — измеряемый ток; / — ток в измерительном меха-
низме.
Шунты изготовляют из манганина и при измерении небольших токов
(до 30 А) их встраивают в корпус прибора. Для измерения больших токов
(до 7500 А) применяются наружные шунты. Шунты подразделяют по
классам точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5.
Расширение пределов измерения измерительных механизмов по на-
пряжению осуществляется с помощью резисторов, называемых добавоч-
ными сопротивлениями и включаемых последовательно с измерительным
механизмом. При необходимости расширения пределов измерения вольт-
метров в т раз добавочное сопротивление
/?д = 7?и (^-0 >
где /?и — сопротивление измерительного механизма; т = п/»п; и — изме-
ряемое напряжение; «п — напряжение постоянного тока, необходимое для
полного отклонения подвижной части измерительного механизма.
Добавочные резисторы изготовляют из манганиновой изолирован-
ной проволоки и также подразделяют по классам точности.
85
Рис. 11.2. Схема подключения трансформа-
торов тока и напряжения:
А - амперметр; В — вольтметр
Измерительные трансформа-
торы тока и напряжения служат
для преобразования больших пе-
ременных токов и напряжений
в малые. Применение измери-
тельных трансформаторов обес-
печивает расширение пределов
измерения по току и напряже-
нию, гальваническое разделение
частей измерительной цепи, со-
гласование отдельных частей из-
мерительного устройства.
Трансформатор состоит из
двух изолированных обмоток:
первичной с числом витков Wj
и вторичной с числом витков
w2 (рис. 11.2, а, б), размещен-
ных на магнитопроводах.
В трансформаторах тока обычно первичный ток Ц больше вторичного
/2, поэтому в них и»] < w2. В трансформаторах напряжения первичное
напряжение «1 больше вторичного и2, поэтому Wj > w2. По схемам вклю-
чения и условию работы трансформаторы тока и напряжения отличаются
друг от друга (рис. 11.2). Показания А и В необходимо умножить на соот-
ветствующие коэффициенты трансформации по току и напряжению (К. =
=П1/г<2)-
Измерительные трансформаторы тока и напряжения изготовляют
стационарными и переносными (либо лабораторными).
Для измерения постоянных токов и напряжений используются магни-
тоэлектрические амперметры и вольтметры, применяются также электро-
динамические, ферродинамические и электростатические приборы.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры наиболее точные,
имеют высокую чувствительность и равномерную шкалу.
Выпускаемые магнитоэлектрические амперметры и вольтметры кон-
структивно выполняются переносными и щитовыми.
Электроизмерительные приборы высокой чувствительности к току
или напряжению, имеющие неградуированную шкалу, называют гальвано-
метрами. Они используются в качестве нуль-индикаторов, а также для
измерения малых токов, напряжений и количества электричества в спе-
циальных измерительных схемах.
Для измерения действующих значений переменных токов и напря-
жений используются электромагнитные, электродинамические, ферро-
динамическге амперметры и вольтметры, а также электростатические
вольтметры.
Высокая чувствительность магнитоэлектрических приборов и дру-
гие их достоинства обеспечивают возможность их использования в цепях
переменного тока с применением предварительных преобразователей
86
(преобразователь переменного тока в постоянный). Широко используются
дня этого полупроводниковые приборы, термопреобразователи и элек-
тронные лампы. В зависимости от типа используемого преобразователя
различают приборы выпрямительные, термоэлектрические и электронные.
Градуировка приборов выпрямительной системы осуществляется в
действующих значениях тока (напряжения) при синусоидальном токе
(условно таковым считается напряжение или ток, близкие к синусоиде,
с коэффициентом формы, равным 1). При отличии формы кривой от си-
нусоиды в приборах возникает дополнительная погрешность.
Измерение электрической энергии осуществляется с помощью индук-
ционных счетчиков (кинематическая схема приведена в табл. 11.1). По
точности счетчики активной энергии подразделяются на классы: 0,5; 1,0;
2,0 и 2,5; счетчики реактивной энергии — на классы 1,5; 2,0 и 3,0.
Для измерения активной мощности в трехфазных трехпроводных
цепях применяются двухэлементные ферродинамические ваттметры, а
в четырехпроводных цепях — трехэлементные.
Измерение активной и реактивной энергии в трехфазных цепях пере-
менного тока производится трехфазными электрическими счетчиками.
Измерение угла сдвига фаз и коэффициента мощности осуществляется
с помощью фазометров. Наиболее часто в фазометрах используются элек-
тродинамические логометры. Обычно они имеют предел измерения cos
от 0,5 до 1, класс точности 2,5. Электромеханический прибор для измере-
ния частоты называется электромагнитным резонансным частотомером,
который также строится на основе электро- и ферродинамического лого-
метра.
В табл. 11.2 приведены технические характеристики некоторых сов-
ременных аналоговых приборов.
Таблица11.2
Технические характеристики аналоговых приборов
Приборы Измеря- емая ве- личина Предел изме- рений, Z, А' и, в Частотный диапазон, Гц Погреш- ность, % Собственное Выходное потребле- сопротив- ниемощности, ление, Вт Ом
Магнито- электри- ческие и_ 10-8 -50 10“4 - 6102 - 0,05 10~6
Электро- магнитные I и 10~4 -2,5 102 0-6102 0 -8-103 0,2 0,1
Электро- динами- ческие I и 10“5 - 50 0-6102 0- 104 0,1 0,1
87
Продолжение табл. 11.2
Приборы Измеря- Предел изме- Частотный Погреш- Собственное Выходное емая ве- рений, I, А диапазон, ность, % потребле- сопротив- личина U, В Гц ние энергии, пение, Вт Ом
Электро- статические и 10-1 -3 105 0 - 107 0,05 - 1012
Выпрями- тельные 2-10~S—6-102 и~ 10~3-6.10"2 20 5-Ю4 1,5
Термоэлек- трические 10~6 - 102 и_ 10-3-6-102 20-З-Ю5 1,0 1,0
Электрон- ные и 510“3 - 103 0 - 109 2,5 - З Ю7
§ 11.2. Электронные аналоговые приборы
Электронные приборы отличаются высоким быстродействием, широ-
ким частотным диапазоном, высокой чувствительностью. Применение
интегральных микросхем приводит к дальнейшему увеличению стабиль-
ности и надежности электронных приборов, к уменьшению их размеров,
массы и потребления энергии.
Многие вольтметры, осциллографы, частотомеры и фазометры, а
также устройства для измерения параметров и характеристик электри-
ческих и электронных схем строятся на основе электронных приборов.
Электронные вольтметры позволяют в широком динамическом (от
долей микровольта до нескольких сотен вольт) и частотном (от постоян-
ного тока и инфранизкой частоты до нескольких сотен мГц) диапазонах
производить измерение напряжений.
Структурная схема вольтметров переменного (постоянного, пункти-
ром) тока приведена на рис. 11.3, а, б.
Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока при-
ведена на рис. 11.3, в. Здесь благодаря предварительному преобразова-
нию постоянного напряжения в переменное с помощью электромехани-
ческого или полупроводникового модулятора М происходит существен-
ная стабилизация коэффициента преобразования схемы, что приводит
к повышению точности вольтметра. Электронные вольтметры применя-
ются для измерения среднего, действующего и амплитудного значения
переменного напряжения. Технические характеристики одного из про-
мышленных электронных измерителей напряжения приведены в конце
табл. 11.2.
88
Рис. 11.3. Схема электронного вольт-
метра:
а — универсальная схема вольтметра
постоянного и переменного напряже-
ний; б — схема вольтметра перемен-
ного напряжения; в — схема вольт-
метра постоянного тока (В — выпря-
митель; У — усилитель; М — моду-
лятор; УПТ - усилитель постоян-
ного тока; ИМ - измерительный
механизм)
Рис. 11.4. Схема электронно-лучевой
трубки:
ОП - отклоняющие пластины; Э -
экран; М — модулятор; А — анод;
К — катод
В практике измерительной техники широкое применение находят
электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО), предназначенные для визуаль-
ного наблюдения электрических процессов и измерения различных пара-
метров сигналов. С помощью ЭЛО определяются мгновенные значения
параметров и временные характеристики электрических цепей. Электрон-
ные осциллографы также находят применение при измерении сопротив-
лений, добротностей, мощности импульсных и высокочастотных сигналов,
фазового сдвига между двумя синусоидальными напряжениями, частоты
и для решения других задач.
Основным узлом электронного осциллографа являются электронно-
лучевая трубка (ЭЛТ), преобразующая значение входного исследуемого
напряжения в перемещение электронного луча (рис. 11.4). В баллоне труб-
ки, в которой создан вакуум, помещена группа электродов, катод К с
нитью накала, модулятор М, фокусирующий A j и ускоряющий Аг аноды,
образующие так называемую ’’электронную пушку”, предназначенную
для получения узкого электронного луча- Отклоняюшая система ЭЛТ
89
состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикуляр-
ных плоскостях ОПх и ОП . Пластины ОПу используются для отклонения
луча по вертикали, ОПх — для отклонения луча по горизонтали. Внутрен-
няя поверхность Э покрыта специальным составом (люминофором),
обеспечивающим свечение под действием электронной бомбардировки в
тех местах, куда попадают электроны.
Изменением потенциала М обеспечивается возможность регулировки
плотности электронов в луче и изменение яркости изображения на экране
Э. Анодами At и Аг электроны разгоняются до необходимой скорости
и одновременно осуществляется фокусировка пучка электронов в точку
на экране Э.
В современных осциллографах для дополнительного ускорения элек-
тронов в ЭЛТ устанавливается третий анод А 3, на который подается боль-
шое положительное напряжение.
При подключении электрического поля, создаваемого подводимыми
к пластинам ОПх и ОП исследуемыми напряжениями, происходит откло-
нение электронов. При этом смещение светового пятна на экране опреде-
ляется соотношением
h =^JL J_(£+ J_),
2u a v 2 ’
a
где «п — приложенное напряжение; — ускоряющее напряжение; I —
длина отклоняющих пластин; а — расстояние между ними; L — расстоя-
ние от пластин до экрана.
Если учесть, что / < L, то можно принять
2и а
а
Чувствительность ЭЛТ
s =h/u= [l/(2Mfl)] +-L.
Чувствительность ЭЛТ универсальных осциллографов составляет 0,1 —
1,0 мм/В.
Внутреннюю поверхность ЭЛТ покрывают проводящим слоем ме-
талла или графита, служащим электрическим экраном, защищающим
трубку от внешних электрических полей, и соединяют с анодом А2. От
внешних магнитных полей ЭЛТ защищается с помощью кожуха из магни-
томягкого материала.
Выпускаемые промышленностью осциллографы условно подразде-
ляются на приборы общего назначения, универсальные (импульсные),
скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Универ-
сальные осциллографы, предназначенные для наблюдения формы и изме-
рения параметров электрических сигналов в широком диапазоне час-
тот, имеют наибольшее распространение.
При измерении амплитудного значения переменного напряжения им,
подаваемого на вход у осциллографа, электронный луч прочерчивает на
экране ЭЛТ вертикальную линию, длина которой при синусоидальном
входном сигнале будет /; = s2«M. Зная чувствительность s, можно опре-
делить и =1 l(2s).
90 м у
Значение s в современных осциллографах определяют по положе-
нию рукоятки ’’Чувствительность”.
Для измерения тока с помощью осциллографа на вход ОПу подается
падение напряжения на известном резисторе (шунте), при этом точность
измерения напряжения и тока невелика (погрешность составляет 5 — 10 %).
Широкое распространение получило измерение частоты и фазы элек-
трических колебаний с помощью осциллографа, при этом можно исследо-
вать колебания любой формы.
Во многих случаях более точные результаты при измерении частоты
и фазы могут быть получены с помощью фигур Лиссажу при сравнении
двух колебаний синусоидальной формы. При этом на одну из пар пластин
подается синусоидальное напряжение известной частоты, а на другую —
исследуемое напряжение, и по фигуре Лиссажу определяются частота и
сдвиг по фазе неизвестного напряжения.
Электронный осциллограф находит применение и для измерения пол-
ных сопротивлений и их активных и реактивных составляющих.
§ 11.3. Измерение электрических величин
методами сравнения с мерой
Одним из высокоточных методов измерения, как отмечалось в гл. 2,
является метод сравнения с мерой. В этом методе мера и измеряемая ве-
личина участвуют в процессе измерения одновременно либо в разное время.
В последнем случае измерение проводится в два этапа — в первом участ-
вует измеряемая величина, во втором — мера, а результат измерения опре-
деляется по двум измерениям. Методы сравнения с мерой в основном
реализуются с использованием мостовых и компенсационных измеритель-
ных цепей.
Мостовые измерительные цепи и приборы. Мостовые цепи широко
применяются в измерительной технике. Они позволяют измерять сопро-
гивление, емкость, угол потерь конденсаторов, индуктивность, взаим-
ную индуктивность и частоту. На рис. 11.5 представлена мостовая изме-
рительная схема, в которой точки а, б, в, г —
вершины; ветви аб, бв, вг, га — плечи; ав — £
диагональ питания; бг — индикаторная (выход- z /х,
пая) диагональ моста; и — источник питания '// г
(источник постоянного или переменного тока).
В качестве нуль-индикатора (НИ) в мостах чУ ,/*
постоянного тока используются чувствитель- //
ные магнитоэлектрические гальванометры и мик- 3 'х. Л'
роамперметры, а при переменном токе — виб- j
рационные гальванометры, осциллографические
индикаторы, электронные указатели и др. и °
Мостовые цепи бывают четырехплечими (см. п 5 Мостовая изме.
рис. 11.5) и многоплечими. Мостовые цепи рительная схема:
могут быть с ручным уравновешиванием и НИ - нуль-индикатор
91
автоматическим уравновешиванием, кроме того, они подразделяются
на уравновешенные и неуравновешенные цепи.
Неуравновешенные мостовые цепи обычно используются в производ-
стве для автоматического контроля процессов. Уравновешенные мостовые
цепи используются в лабораторной практике и при поверке СИ.
В зависимости от вида питающего тока существуют мосты постоян-
ного и переменного тока. Мосты переменного тока используются на про-
мышленной частоте (50 Гц) или на высоких частотах (400, 1000 Гц и
выше). Средство измерений, в основе которого лежит мостовая цепь,
называется измерительным мостом.
Принципиальная схема моста постоянного тока строится в соответ-
ствии с рис. 11.5. К плечам аб, бв, га и вг моста присоединяются соответ-
ственно сопротивления R3, R2, R3, ^4. а в выходную диагональ — нуль-
индикатор, например гальванометр. Ток I, протекающий через гальвано-
метр, можно определить с помощью законов Кирхгофа, метода контур-
ных токов или теоремы об эквивалентном генераторе.
В общем случае, при питании моста постоянным током выражение
для тока в цепи НИ имеет вид
I =и------------------«1*4 -*2«3----------------------- 0 j 4)
“И *ни(*1 +«2) («3 +*4)+*1*2(*3+«4) + *3*4(«1+«2)
где R — сопротивления гальванометра.
При уравновешенном состоянии моста/ни =0 и тогда из (11.4) следует
RXR4=R2R3. ( (11.5)
Если включить измеряемое сопротивление R* в одно из плеч моста
(например, вместо Rt), то с помощью (11.5) можно определить его зна-
чение по значениям сопротивлений трех других плеч: Rx = R2R3/RA. При
питании моста переменным током в общем случае сопротивления плеч
и НИ имеют комплексный характер. В этом случае согласно (11.4)
1^4 ~ Z2Z 3 _______________'
НИ 2H|1(Z! +Z2) (Z3 +Z4) +Z1Z2(Z3 +Z4) +Z3Z4(Zt +Z2) ’
или при равновесии моста
Z 1Z4 = Z2Z3 . (11.6)
Запишем комплексные сопротивления плеч в развернутой форме:
Zi=/?i+/Xi; г3=/?3+/л3;
z2 -R3 + )х2\ z4 - R<\ + /х4 ,
тогда (11.6) преобразуется в два уравнения:
R\R^ — Х\Хц — R2R3 — х2х3
R1X4 + /?4%i — R2x3 + R3x2 .
Следовательно, для равновесия мостов переменного тока необходимо
регулировать не менее двух параметров. Используя иную форму записи
комплексных сопротивлений, имеем:
92
Zj =z1e/*’1, z3=z3e/v’3,
z2=z2e7¥’2, z4=z4eZv’4.
Условие равновесия моста переменного тока может быть записано и в
ниде
z1z4e/(*’» + *’4) = z2z3e/(*’2 +*’з) ,
где zn z2, z3 и z4 - модули полных сопротивлений плеч; <А, <£2> <£з и
<р4 — углы сдвига тока относительно напряжения в соответствующих пле-
чах.
Получается два равенства для условия равновесия моста переменно-
го тока:
z3z4 = z2z 3;
(И-7)
‘Pl + <р4 - ‘Рз + </!4 .
Из (11.7) видно, какие элементы следует включать в плечи моста
для уравновешивания схемы. Допустим, в первом плече включена индук-
тивность, а второе и третье плечи содержат активные сопротивления (ip2 —
<^3 =0), тогда четвертое плечо должно содержать емкость.
Находят применение двойные мосты постоянного тока для измерения
очень малых сопротивлений (менее 10 Ом), обеспечивающие исключение
влияния сопротивлений соединительных проводов и переходных контактов.
С помощью мостов переменного тока можно в широком частотном
диапазоне измерять различные параметры электрических цепей. В табл.
11.3 приведены основные технические характеристики выпускаемых
промышленностью А/.С-метров.
Табпица11.3
Основные технические характеристики выпускаемых промышленностью
НДС-метров
Тип Диапазон из- менения час- тот, Гц Измеряемая величина Погреш- ность, %
С L R С
1:7-10 1000 0,01 пФ - 100 мкФ 0,1 мкГн 1000 Г 0,001 Ом - 10 МОм 0,1 - 1 См 0,1
Е7-9 1,1-104 - 1.1-106 1 - 5000 ПФ 0,1 - 10 мкГн — — 0,4
1:7-11 1000; 100 0.1 пФ - 1000 мкФ 0,3 мкГн - 1000 Гн 0,1 - 10 МОм — 10%
Автоматические мосты применяются для получения непрерывных
показаний и регистрации измеряемой величины и автоматического управ-
ления производственными процессами.
93
Рис. 11.6. Схема автоматического моста
для измерения сопротивления:
РД — реверсивный двигатель; У - уси-
литель
Схема автоматического моста
для измерения активного сопро-
тивления приведена на рис. 11.6.
К выходной диагонали моста под-
ключен усилитель У переменного
тока, питающий реверсивный дви-
гатель РД, ось которого через
передачу связана с ползунком пе-
ременного реохорда Р и осью
показывающего прибора. При рав-
новесии моста напряжение на вы-
ходной диагонали отсутствует и
ротор двигателя неподвижен. При
изменении измеряемого сопротив-
ления ) на выходе бг моста
появляется переменное напряже-
ние, которое после усиления пода-
ется на двигатель. Ротор двигателя
перемещает ползунок реохорда Р в сторону достижения равновесия и
одновременно поворачивает указатель показывающего прибора, шкала
которого проградуирована в единицах сопротивления (или соответствую-
щей незлектрической величины).
В автоматических мостах переменного тока процессы уравновеши-
вания значительно сложнее, так как для достижения равновесия требуется
два регулирующих элемента (двигателя). Это ограничивает их применение.
Автоматические мосты применяются для измерения, регистрации и
регулирования температуры объектов. Технические характеристики выпус-
каемых промышленностью автоматических мостов приведены в табл.
11.4.
Таблица 11.4
Данные основных типов автоматических мостов
Тип Длина Основная Время про- Число измеряв- Габаритные размеры.
прибора шкалы, погрсш- хождения мых и регистри- мм; масса, кг
мм ность, % шкалы, с руемых величин
КСМ4 250 0.25 1;2.5; 1;3 400x400x367
10 6; 12 25
КСМ2 160 0.5 2,5; 1; 3 240x320x492
10 6; 12 21
КСМ1 120 1.0 2,5; 1; 3; 6 160x200x470
10 12,5
КВМ1 500 0,5 2,5; 1;6, 160x240x70
(0,25) 10 12 12,5
94
Компенсационные измерительные цепи и приборы. Компенсационные
цепи позволяют осуществлять высокоточное измерение неизвестного
напряжения (ЭДС), тока и других электрических величин путем сравнения
(уравновешивания) с известной мерой напряжения. Принцип действия
компенсационного прибора (компенсатора) постоянного тока поясним
па примере схемы (рис. 11.7). Уравновешивающее напряжение и сравни-
вается с измеряемым их с помощью НИ (положение 2 переключателя
//) и в момент равенства их -ик имеем ик =/ R^. Значение рабочего тока
/ в компенсационной цепи устанавливается с высокой степенью точности
ilo известной мере — величине Е нормального элемента (НЭ), класс точ-
ности которого 0,001 — 0,02.
Рис. 11.7. Схема компенса-
тора постоянного тока
Рис. 11.8. Схема автоматического
компенсатора постоянного тока
статического типа (J1A - мил-
лиамперметр)
Периодически установкой переключателя П в положение 7 и регули-
ровкой переменного резистора R добиваются равенства I Rfi -Е с помощью
НИ, т. е. добиваются постоянства 7 . Компенсирующее сопротивление
R проградуировано в единицах измеряемой величины, что позволяет
после выполнения процесса уравновешивания непосредственно отсчитать
значение напряжения «Л_.
Важной особенностью компенсационных цепей является отсутствие
потребления тока от источника измеряемого напряжения в режиме их =
и . Это позволяет использовать компенсаторы для измерения их в мало-
мощных цепях, например ЭДС термопар. Рабочий ток компенсаторов не
превышает 1—25 мА.
В табл. 11.5 приведены технические характеристики основных типов
автоматических компенсаторов постоянного тока.
Принцип работы компенсаторов переменного тока основывается
па сравнении активных величин (токов, напряжений, магнитных потоков),
пропорциональных измеряемым параметрам, и соответствующих величин,
пропорциональных точным заданным значениям, образованным на рабочих
мерах. В результате сравнения осуществляется преобразование измеряе-
мых параметров в форму, удобную для отсчета. В этом случае переменное
напряжение йх = ихе х уравновешивается ик =«ке к, т. е. для дости-
жения компенсации требуется равенство модулей их = и и аргументов
95
tpx = <рк (фазовых углов измеряемого и компенсирующего векторов пере-
менного напряжения).
В компенсаторах полярной системы координат на отсчетном устрой-
стве отображается модуль их и аргумент <р . В компенсаторах прямоу-
гольной системы координат их = x/V,. + и^у и = arctg ику/икх, где
и и и — составляющие вектора й по осям х и у.
В СССР выпускается компенсатор переменного тока типа Р56/2 для
КХ
измерения напряжения, фазовых углов, ЭДС и других преобразованных
в пропорциональные им напряжения или ЭДС. Класс точности компен-
сатора Р56/2 равен 0,2.
В автоматических компенсаторах процесс уравновешивания осущест-
вляется автоматически с помощью специальных устройств.
Схема автоматического компенсатора постоянного тока статическо-
го типа приведена на рис. 11.8. Из схемы видно, что прибор представляет
собой усилитель постоянного тока (УПТ) с обратной связью.
Данные основных типов автоматических компенсаторов
постоянного тока
Таблица11.5
Тип прибора Длина шкалы, мм Основная погреш- ность, % Время про- хождения шкалы, с Число измеряе- мых и регист- рируемых ве- личин Габаритные размеры, мм; масса, кг
КСП4 250 0,25 1;2,5; 10 1;3 6; 12 400x400x367 25
КСП2 160 0,5 2,5; 10 1;3 6; 12 240x320x492 17; 21
КВП1 500 0,5 2,5; 10 1;6 12 160x240x470 12; 5
КСУ4, 250 (0,25) 1; 2,5; 1; 3; 6 400x400x367
0... 5 мА 0... 20мА 0,25 10 12 25
Для этой схемы
u =&u + IR ; I = sku,
X ос’ ’
где s — чувствительность или коэффициент преобразования УПТ, откуда
получаем
Следовательно, между током I и напряжением их существует прямая
пропорциональность и по показанию дА можно определить их- Эти прибо-
ры находят широкое применение в производстве для измерения темпе-
ратуры.
96
Рис. 11.9. Структурная схема автокомпенсатора переменного тока
типа НПО для измерения среднего напряжения:
ВхД - входной делитель; УС — устройство сравнения; Де — двигатель;
РУ - регистрирующее устройство
В автоматических компенсаторах переменного тока для уравновеши-
вания требуется управление двумя элементами схемы, поэтому они значи-
тельно сложнее, чем приборы для постоянного тока.
Структурная схема автоматического компенсатора переменного тока
типа НПО для измерения среднего напряжения (Ленинградского ПО ’’Виб-
ратор”) приведена на рис. 11.9. Как видно из схемы, прибор состоит из
входного делителя ВхД с коэффициентом деления К усилителя перемен-
ного тока У1 с коэффициентом преобразования л], выпрямителя В с
коэффициентом преобразования К , устройства сравнения УС и источни-
ка образцового напряжения uQ, усилителя постоянного напряжения У2
двигателя Де, вал которого механически связан с движком ВхД и регист-
рирующим устройством РУ.
В процессе измерения Де изменяет положение движка (т. е. значение
Кд) до тех пор, пока не наступит равновесие, т. е. и =uxKrK1Kbuq.
Особенность этой структуры состоит в том, что регулируемый дели-
тель включен в цепь переменного напряжения и частота последнего мо-
жет изменяться в широком диапазоне, поэтому делитель должен быть без-
реактивным.
Вопросы для самоконтроля
1. Поясните принцип действия электромеханических измерительных механизмов.
2. Каковы основные преимущества логометрических преобразователей?
3. Назовите основные виды измерительных электрических преобразователей.
4. Приведите структурную схему электронного аналогового прибора.
5. Поясните принцип действия электронного осциллографа.
6. Каковы условия равновесия мостов постоянного и переменного токов?,
7. Каковы условия равновесия компенсационных схем постоянного и пере-
менного токов?
4 - 1431
ГЛ АВ А 12. ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРИБОРЫ
§ 12.1. Основные понятия и определения
В настоящее время широко применяются цифровые измерительные
преобразователи (ЦИП), имеющие ряд преимуществ перед аналоговыми
электроизмерительными приборами [1.5] .
В отличие от аналоговых приборов в ЦИП обязательно выполняются
следующие операции:
квантование измеряемой величины по уровню;
дискретизация ее по времени;
кодирование информации.
Цифровыми называются измерительные приборы, автоматически
вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и пред-
ставляющие показания в цифровой форме.
Значение выходной величины, отображаемое на цифровом отсчетном
устройстве, соответствует коду, полученному в ЦИП. Представление изме-
рительной информации в виде кода обеспечивает возможность ее регистра-
ции и обработки, длительного хранения в запоминающих устройствах
без потерь, передачи без искажения практически по любым каналам связи
и ввода в ЭВМ для обработки, а также исключает вносимые оператором
при отсчете субъективные погрешности.
Кроме того, к преимуществам ЦИП относятся:
удобство и объективность отсчета;
высокая точность результатов измерения;
широкий динамический диапазон в сочетании с высокой разрешающей
способностью;
высокое быстродействие;
возможность автоматизации, а в последние годы и интеллектуализа-
ции процесса измерения;
высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим
воздействиям;
возможность использования новейших микроэлектронных технологий.
Переход от жесткой логики функционирования к программной се
реализации открывает большие перспективы перед цифровой измеритель-
ной техникой.
С момента своего появления цифровая измерительная техника разви-
валась в двух направлениях: создание автономных цифровых измеритель-
ных приборов и цифровых измерительных преобразователей. Различия
между ними достаточно размыты, и заключаются в отсутствии у первых
канала связи с ЭВМ, у вторых — цифровой индикации и автономности
использования. В последние годы различия между ними в основном пере-
несены в область эргономических показателей, габаритов и др.
Являясь частью цифровых приборов, измерительные преобразователи
выдают результат в виде кода. Кодирование может проводиться с помощью
различных систем счисления, описанных в разд. 3.
98
Главным ограничением в применении произвольной системы счисления
при кодировании информации является сложность технической реализации
исего алфавита системы. Поэтому естественно, что двоичная система счис-
ления и ее разновидность приняты на вооружение цифровой измеритель-
ной техники.
Двоичное изображение числа требует большего (для многоразрядного
числа примерно в 3 раза) числа разрядов, чем десятичное представление.
Гем не менее применение двоичной системы очень удобно при технической
реализации устройства, поскольку в этом случае оно должно иметь только
дна устойчивых состояния, например триггерная схема и др. Зародившись
н недрах современной электронной вычислительной техники, зта система
счисления и ее модификации являются неотъемлемой частью цифровой
измерительной техники.
Необходимость отображения результатов измерения в ЦИП заставляет
применять в них и десятичную систему счисления. Таким образом, в ЦИП
присутствует некоторый преобразователь из двоичной системы в десятич-
ную. Это устройство может быть сильно упрощено, если в ЦИП применить
дня кодирования двоично-десятичную систему счисления.
При большом количестве разрядов двоичного кода его запись становит-
ся неудобной и малоинформативной. В этом случае пользуются шестнад-
цатеричной системой счисления.
Технически несложно реализуется и наиболее простая система счис-
ления — единичная, в которой любое число образуется простым суммиро-
ванием символа основания 1. Например, числа десятичной системы 1, 2,
3, 4... в единичной системе записываются в виде 1, 11, 111, 1111 ... Для
получения кода в единичной системе на практике обычно применяются
преобразователи измеряемой величины в пропорциональную ей частоту
импульсов напряжения.
В зависимости от очередности вывода во времени символов кодового
сигнала различают параллельные и последовательные коды. При параллель-
ном коде информация о состоянии всех разрядов передается одновремен-
но, т. е. для этого необходимо столько линий, сколько разрядов в кодовой
комбинации.
Последовательный вывод может быть осуществлен лишь в виде после-
довательности импульсов напряжения, при этом важно не только наличие
импульса в последовательности или его отсутствие, но и местоположение
символа во времени.
В настоящее время существуют различные классификации цифровых
приборов, основанные на выборе основных классификационных приз-
наков. На рис. 12.1 показана структурная схема цифрового измеритель-
ного прибора. При отсутствии необходимости в визуальном контроле
результатов измерения АЦП применяют как самостоятельное устройство,
обеспечивающее на выходе представление результатов измерения в коде,
удобном для регистрации или ввода в ЭВМ.
Назначение узлов АЦП следующее. Во входном преобразователе Пр1
аналоговая величина преобразуется из одного вида в другой, например
99
Рис. 12.1. Структурная схема цифровых измерительных приборов:
АЦП - аналого-цифровой преобразователь; УУ - устройство управ-
ления; УУП - устройство управления прибором; УИ - устройство
индикации. Пр - преобразователи
осуществляется масштабирование входного сигнала, преобразование на-
пряжения в интервал времени или переменного напряжения, сопротив-
ления, емкости и других величин в постоянное напряжение. Здесь может
также осуществляться предварительная дискретизация по времени.
Само преобразование аналог—код выполняется в преобразователе
Пр2. Если полученный код неудобен для дальнейшего использования,
то применяют дополнительный преобразователь ПрЗ, служащий для полу-
чения нового кода. Последний является выходным кодом АЦП и поступа-
ет на УИ. Согласованную работу АЦП обеспечивают сигналы УУП. В зави-
симости от назначения и принципа действия приборов иногда функции
отдельных узлов совмещают в одном или исключают их.
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяют на вольтметры,
частотомеры, фазометры, омметры и др. Приборы, измеряющие среднее
значение напряжения за определенный интервал времени, называются ин-
тегрирующими. Кроме того, ЦИП подразделяют на группы по точности,
быстродействию, надежности. В зависимости от способа организации про-
цесса преобразования все ЦИП подразделяют на приборы циклические
и следящие. В циклических приборах весь процесс преобразования проте-
кает всегда независимо от значения измеряемой величины по заданной
программе от начала до конца. Снятие показания в приборах циклическо-
го действия допускается лишь во время определенного такта — так назы-
ваемого времени индикации. В следящих ЦИП переход к очередному
преобразованию осуществляется под воздействием сигналов, вырабатывае-
мых при изменении некоторых параметров входного сигнала на опреде-
ленное приращение. Такими параметрами могут быть амплитуда сигнала,
длительность периода и др. Характер процесса преобразования при этом
зависит от значения отклонения измеряемой величины. Показания такого
прибора готовы для последующего использования.
Приборы следящего действия можно отнести к устройствам адап-
тивной дискретизации, так как частоту преобразований выбирают, исходя
из характера сигнала.
100
Адаптивную дискретизацию можно реализовать и в приборах цикли-
ческого действия.
§ 12.2. Основные принципы аналого-цифрового преобразования
электрических величин. Цифроаналоговые преобразователи
Преобразование аналоговой величины в цифровой код является изме-
рительной процедурой и осуществляется путем выполнения ряда операций
сравнения измеряемой величины с набором дискретных эталонных величин,
имеющих одинаковую природу с преобразуемой.
При этом происходит замена непрерывной величины на ближайшую,
фиксированную, образованную по определенному алгоритму с помощью
меры, и считывание кода, соответствующего этому фиксированному зна-
чению.
Одним из критериев, лежащих в основе классификации методов ана-
лого-цифрового преобразования (АЦ-преобразования), является харак-
тер АЦ-преобразования во времени. В соответствии с этим критерием
различают метод последовательного счета, метод поразрядного уравнове-
шивания, метод одновременного считывания. В основе этой классификации
методов АЦ-преобразования лежит характер реализации алгоритма АЦ-
преобразования во времени.
Этот критерий, не являясь единственно возможным, приносит наи-
большую информацию как при синтезе новой структуры ЦИП, так и при
анализе уже имеющейся. Рассмотрим кратко зти методы.
Метод последовательного счета. Сущность метода заключается в по-
следовательном во времени сравнении измеряемой величины с известной
однородной мерой. Процесс сравнения предполагает дискретное участие
в нем меры Хо в общем случае как в сторону увеличения текущего зна-
чения меры так и в сторону уменьшения его. При определении изме-
ряемой величины х:
хе Knin’Xmaxl (12.1)
начальные значения х^ в обоих случаях соответственно равны границам
диапазона изменения х.
На рис. 12.2, а показан первый вариант метода последовательного
счета. При некотором числе п квантов х0 имеет место строгое равенство
пх0 =хк или с некоторой погрешностью £: пх0 + £=х*,гдех* —значение
измеряемой величины.
Если выбрать х0 равным единице измерения х, то число п будет еди-
ничным кодом значения измеряемой величины.
Вариантом метода последовательного счета является случай измере-
ния величины, обратной х. При этом в качестве кванта х0 служит сама
преобразуемая величина х* и предполагается известной некоторая пос-
тоянная величина хс, которую выбирают так, чтобы 1/х была единицей
измерения величины, обратной х. Производя АЦ-преобразование, получим
соотношение
101
Рис. 12.2. Метод последовательного счета:
а — пошагового сравнения; б — поразряд-
ного сравнения; в — одновременного срав-
нения
«X* » Хс ,
тогда очевидно, что п является
единичным кодом значения
1/х*. Точность приведенного АЦ-
преобразования при прочих рав-
ных условиях определяется выб-
ранной величиной х0, так как
погрешность квантования опре-
деляется как 0 < £ <х0
Время АЦ-преобразования
при применении метода последо-
вательного счета в общем случае
определяется входной аналоговой
величиной и находится в обрат-
ной зависимости от желаемой
точности преобразования, т. е.
значения х0- Таким образом, дос-
тоинствами метода являются срав-
нительная простота и малая ста-
тическая погрешность; недостат-
ком — малое быстродействие.
Основные области применения ме-
тода — цифровые вольтметры
постоянного тока и цифровые
системы для работы с постоян-
ным и медленно изменяющими-
ся напряжениями.
Метод поразрядного уравно-
вешивания. Описанный выше ал-
горитм АЦ-преобраования можно,
убыстрить, если оперировать с
набором разновеликих квантов
х0/., что и реализуется в методе
поразрядного уравновешивания
(кодоимпульсный метод). Про-
цесс сравнения х* и х^ (рис.
12.2, б), как и в предыдущем
методе, происходит последова-
тельно во времени. Здесь под-
ключаются или отключаются от процесса сравнения кванты х0 по эффек-
тивности равносильные некоторому набору из К элементарных квантов
х0. Это позволяет классифицировать метод поразрядного уравновеши-
вания как параллельно-последовательный. Множество значений квантов
{хог- } может быть выбрано достаточно произвольно, как и сам алгоритм
их ввода в процессе сравнения. АЦ-преобразование методом поразрядного
102
уравновешивания и его модификации позволяют получить существенный
выигрыш в быстродействии (до 10s — 10б преобразований в секунду).
В то же время статическая погрешность может быть малой, что позволяет
реализовать разрешающую способность до 16 двоичных разрядов. Время
преобразования здесь также зависит от входного сигнала, т. е. является
переменным. Описанный метод АЦ-преобразования находит широкое
применение в построении ЦИП и в различных областях цифровой обработ-
ки быстроизменяющихся сигналов.
Метод одновременного считывания. При этом методе (рис. 12.2, в)
реализуется взаимооднозначное соответствие между множеством f xQ . j
квантов сравнения и ожидаемым множеством дискретных значений вход-
ной непрерывной величины х£ . Другими словами, происходит одно-
временное сравнение измеряемой величины х* G [xmin, *max] с набо-
ром мер х0 . , значения которых подобраны в соответствии с определен-
ным правилом. Выходной код образуется по номеру ближайшего значе-
ния х0/.. Таким образом, ’’одновременность” метода означает параллель-
ность включения всех квантов xQj. в процессе сравнения. Следовательно,
этот метод можно классифицировать как полностью параллельный.
Из всех рассмотренных АЦ-преобразований метод одновременного
считывания — самый быстродействующий и позволяет достигать частот
преобразования 100 — 200 мГц. Точность метода и его разрешающая спо-
собность, т. е. объем множества мер х0 . , сильно зависят от достигну-
того уровня технологии производства. В последнее время получили рас-
пространение гибридные методы АЦ-преобразования на основе сочетаний
методов считывания и поразрядного уравновешивания.
Такие АЦП реализуют последовательно во времени метод одновре-
менного считывания, что позволяет найти наилучшее сочетание между
быстродействием, точностью и объемом самого устройства.
Традиционную схему классификации, приведенную выше, можно обоб-
щить, проанализировав алгоритмические основы АЦ-преобразования.
Из анализа можно сделать следующие выводы: быстродействие АЦП опре-
деляется исключительно выбранным алгоритмом, а не системой счисления.
В параллельных и параллельно-последовательных алгоритмах поиск
кода производится последовательными шагами, на каждом из которых
осуществляется одна операция сравнения. По аналогии с описанным мето-
дом одновременного считывания, увеличивая количество операций срав-
нения на каждом шаге, можно резко увеличить быстродействие алгоритма
в пределе от одного единственного шага (что и соответствует методу
одновременного считывания). Выбирая некоторое промежуточное коли-
чество операций сравнения, можно получить параллельно-последователь-
ные алгоритмы, сочетающие простоту и точность последовательных алго-
ритмов измерения с высоким быстродействием параллельного алгоритма.
Выберем т монотонно возрастающих по своим значениям мер хь
х2, ..., хт и произведем одновременное сравнение измеряемой величи-
ны со всеми мерами. Получаемый при этом код у* (номер меры) зависит
от измеряемой величины:
103
F(x) = v* .
Преобразование сводится к определению неизвестного х по значению
V*. Оператор F(x), составленный из т мер, является оператором АЦ-
преобразования. Его можно представить в виде суммы линейно незави-
симых функций z(x - х .).
. т '
F(x) = S a.z(x - хJ ,
»=1 ' 1
где а. — коэффициент разложения.
Для упрощения реализации оператора F(x) все коэффициенты «.выби-
рают равными единице, а в качестве функций z(x - х.) используют функ-
ции вида:
/ ч f 1,х > х. ,
sign(x-x.) = J 0>х< х> .
Тогда
т
F(x)=T, sign(x — х).
/=1 '
Измерение в соответствии с последней записью сводится к определе-
нию количества сработавших устройств сравнения.
Снижая количество мер, с помощью которых реализуется оператор
/•’(•) до к (1 < к < т), увеличивают количество шагов в алгоритме изме-
рения. Обратимся к уравнению (12.2) и подвергнем обе ее части действию
оператора F():
F ИО-xJ = F(0) .
Применяя метод итераций для отыскания кода Q*, получим алгоритм,
описываемый следующим уравнением:
Qn+ ! = Qn - 7 («) If ИСи) - Xj - F(0) ]. (12.6)
Алгоритм (12.6) позволяет переходить от одного метода преобразо-
вания к другому. Такая возможность связана с выбором конкретного
оператора F(-).
Подобная универсальность алгоритма АЦ-преобразования (12.6)
дает основание называть его обобщенным алгоритмом уравновешиваю-
щего преобразования.
Стохастические алгоритмы. Рассматривавшиеся до сих пор алгоритмы
преобразования являются детерминированными в том смысле, что при
переходе от и-го к (п + 1)-му приближению делается шаг определенной
длины. Принципиально другой класс алгоритмов составляют стахостичес-
кие алгоритмы АЦ-преобразования, в которых длина шага является слу-
чайных Создание стохастических АЦП для определенного круга задач
несомненно является более естественным (например, при измерении слу-
чайным процессов, в задачах адаптации АЦП по входному сигналу и др.).
Применение стохастических алгоритмов позволяет повысить быст-
родействие АЦП и улучшает ряд других показателей, характеризующих
их эффективность.
104
Стохастические методы АЦ-преобразования являются сравнительно
новой, но быстро развивающейся областью теории цифровых измерений
[2.4] .
Цифроаналоговые преобразователи. Преобразование цифровых кодов
в пропорциональный аналоговый сигнал (ЦАП) необходимо как для по-
строения АЦП поразрядного кодирования, так и для формирования ана-
логовых сигналов произвольной формы по кодовым входным сигналам
(например, при создании перестраиваемых генераторов синусидального
напряжения, ступенчатых тестовых сигналов, квазислучайных аналоговых
сигналов, а также аналоговых управляющих систем на основе МП и мик-
роЭВМ).
Стандартным средством для преобразования информации из кода в
аналог является сетка из прецизионных сопротивлений, коммутируемая
электронными ключами, управляемыми цифровым кодом.
ЦАП можно рассматривать как потенциометр с цифровым управле-
нием, задающий аналоговые ток или напряжение, являющиеся частью
полной шкалы. Базовая схема ЦАП состоит из источника опорного напря-
жения, в качестве которого обычно используется температурно-стабили-
зированный стабилитрон, матрицы двоично-весовых прецизионных ре-
гистров и набора электронных ключей-коммутаторов.
При замыкании каждого ключа ток в выходной суммирующей ши-
не получает двоично-весовое приращение. Установив на выходе операци-
онный усилитель (ОУ), преобразующий ток в напряжение, можно ЦАП
с токовым выходом преобразовать в ЦАП с выходом по напряжению.
Однако ЦАП с выходом по току имеет более высокую скорость установ-
ления выходной величины. На рис. 12.3, а приведена схема ЦАП с весовой
Рис. 12.3. Структурная схема ЦАП:
а с весовой резистивной матрицей; б - с цепной Л-2/?-матрицей
105
резистивной матрицей, а на рис. 12.3, б представлен ЦАП с цепной R-2R-
матрицей, оба с выходом по напряжению.
Применение матрицы типа R-2R является эффективным средством
для уменьшения числа номиналов используемых сопротивлений. Основ-
ной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяе-
мая числом N разрядов.
Теоретически ЦАП, имеющий N двоичных разрядов, должен обеспе-
чить 2^ различных значений выходного сигнала с разрешающей способ-
ностью (2^ — I)-1.
Абсолютное значение минимального выходного кванта определяется
как максимальным значением 2^ — 1 входного кода, так и максималь-
ным выходным напряжением ЦАП (напряжением шкалы). Например,
при N = 12 и U = 10 В абсолютная разрешающая способность ЦАП сос-
тавит
10/(2^-1) В-2,45 мВ.
Наличие погрешностей в узлах ЦАП и шумов приводит к отличию
реального значения разрешающей способности от теоретического значе-
ния. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности,
нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Абсолютная погреш-
ность представляет собой отклонение значения выходного напряжения
(тока) от номинального. Абсолютная погрешность обычно измеряется
в единицах младшего значащего разряда (МЗР).
Нелинейность прибора характеризует идентичность минимальных
приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и оп-
ределяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой
линии, проведенной через нуль и точку максимального значения выход-
ного сигнала. Нелинейность не должна выходить за пределы ± 0,5 еди-
ницы МЗР.
Среди динамических параметров ЦАП существенными являются время
установления выходной величины t и максимальная частота преобра-
у ст
зования.
Время t определяется как интервал времени от подачи входного
кода до вхождения выходного сигнала в пределы заданной зоны ошибки
вокруг требуемого аналогового уровня. Максимальная частота преобра-
зования /прб — наибольшая частота поступления входного кода, при кото-
рой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.
Существенный прогресс в области микроэлектронной технологии
позволил проектировать ЦАП в интегральном исполнении с очень высо-
кими показателями по быстродействию, точности, стабильности и разряд-
ности (до 14 - 16 двоичных разрядов).
Особое значение ЦАП приобрели с появлением микропроцессорных
измерительных приборов и систем, в которых они играют ключевую
роль.
106
§ 12.3. Основные характеристики цифровых приборов
Основными техническими характеристиками цифровых приборов
(ЦИП), определяющими возможность их использования для конкретных
измерительных задач, являются: погрешность, диапазон измерений, цена
деления, быстродействие, входное сопротивление, помехоустойчивость,
надежность.
Основная погрешность ЦИП определяется обычно следующими че-
тырьмя составляющими: погрешностью дискретизации Дхд, погрешностью
реализации уровней квантования Дх , погрешностью наличия порога
чувствительности Дхч, погрешностью от действия помехи Дхд.
Составляющие Дх , Дхц, Дхд обусловлены несовершенством прибо-
ра и составляют инструментальную погрешность. Погрешность дискрет-
ности Дх - методическая погрешность — принципиально присуща любо-
му ЦИП.^Ее анализ может быть выполнен с достаточно общих позиций,
так что результаты этого анализа можно распространить на ЦИП, реали-
зующие любой из рассмотренных выше методов АЦ-преобразования.
Рассмотрим погрешность дискретности Дхд для ЦИП с последова-
тельным счетом, где измеряемая величина х, сравнивается с известной
величиной хк с шагом квантования Дхк- Примем для упрощения анали-
за условие: Дх = 0, Дх =0, Дх = 0, а известная величина х меняется
J р ч п к
во времени скачками в один квант.
При выполнении условия xr > х, показания прибора устанавливают
в соответствии с уровнем х .. В момент установления равенства хк и
х„ будем иметь х . - х* =аХхк, где а — случайный безразмерный коэф-
фициент, a G (0,1).
Погрешность прибора при этом Дх = хк/ - х* =аДхк; Дх представ-
ляет собой погрешность дискретности, т. е. Дх = Дхд изменяющуюся в
пределах от 0 до Дхк.
Так как а зависит от измеряемой величины х4, то вероятность появ-
ления любого значения Дхд в пределах одного шага квантования подчи-
нена равномерному закону распределения. Следовательно, Дхд может
находиться в диапазоне от — Дхк/2 до + Дхк/2.
Следовательно, при этом среднеквадратичное отклонение погрешности
дискретности
о [Дхд] = Дхк/(2х^)~.
Таким образом, если М [Дхд] ~ Д*к/2, то это соответствует отож-
дествлению с ближайшим большим или равным уровнем хк- Если
М [Дх ] = — Дхк/2, то это отождествляется с ближайшим меньшим или
равным уровню х . Как видно из написанного, способ отождествления
влияет на систематическую составляющую погрешности дискретности.
Дополнительные погрешности ЦИП, так же как в аналоговых прибо-
рах, возникают при изменении внешних факторов (температуры, напря-
жения, частоты питания и т.д.).
Кроме статических погрешностей ЦИП характеризуются и динами-
107
Рис. 12.4. К оценке динамической по-
грешности ЦИП
соответственно к погрешностям Ах]
ческими погрешностями. Различают
динамические погрешности перво-
го и второго рода. Динамические
погрешности первого рода вызва-
ны инерционностью элементов из-
мерительной части прибора. Дина-
мические погрешности второго ро-
да возникают из-за того, что из-
мерение производится в момент
времени t2 (рис. 12.4), а резуль-
тат приписывается либо началу
цикла преобразования Ц, либо
концу цикла t3. Это приводит
пи Д х2.
Максимальная приведенная динамическая погрешность второго рода
e(t)^±Ax/xm=X'Tu/Xm ,
где Дл — максимальное изменение X(t) за время Т ; Х — максимальное
значение Х(t); Х' — средняя скорость изменения x(t) за время Т .
Для x(t) -A sin со t динамическая погрешность второго рода
e(t)= соГц .
Из описанного следует, что разновидности динамических погрешнос-
тей ограничивают допустимую частоту или скорость изменения измеряе-
мой величины x(t) при заданном цикле Т . Для ЦИП выпускаемых оте-
чественной промышленностью, принято нормировать погрешность в отно-
сительной форме.
Диапазон измерений ЦИП — область значений измеряемой величины,
для которой нормированы допускаемые погрешности прибора. Если при-
бор предназначен для измерения величины с большим диапазонам изме-
нения, то для повышения точности измерения в приборе предусматрива-
ется несколько диапазонов, переключаемых вручную или автоматически.
Важными характеристиками ЦИП являются цена деления шкалы и разре-
шающая способность.
Быстродействие определяется интервалом времени, необходимым
для выполнения одного полного цикла измерения (для ЦИП) или АЦ-
преобразования (для цифрового измерительного преобразователя) вход-
ной величины.
Знание быстродействия как характеристики прибора важно при учете
динамической погрешности и погрешности аппроксимации.
Входное сопротивление ЦИП для измерения напряжения характери-
зует потребляемую мощность от измерительной цепи и влияет в итоге
на результат измерения. Для снижения этого влияния входное сопротив-
ление проектируется по возможности большим. У современных цифровых
вольтметров входное сопротивление достигает 1О10 Ом и более.
В ЦИП уравновешивающего преобразования входное сопротивле-
108
ние иногда меняется в процессе измерения, что может явиться причиной
динамической погрешности при измерении напряжения источника, содер-
жащего реактивные элементы.
Помехоустойчивость ЦИП численно характеризуется степенью подав-
ления помех на входе ЦИП (коэффициентом подавления), измеряемым
в децибелах (дБ). В цифровых вольтметрах постоянного тока коэффи-
циент подавления помехи определяется из соотношения 20 1g
где и — амплитудное значение напряжения помехи; Дм — максималь-
ная разность между показаниями прибора с помехой и после фильтра-
ции помехи (в единицах напряжения). Специальные вопросы погрешнос-
ти ЦИП подробно изложены в [1-19] .
§ 12.4. Цифровые приборы для измерения электрических величин
Наиболее часто в ЦИП кодируются интервал времени, частота им-
пульсов и напряжение постоянного тока. В измерительной технике при
дистанционных измерениях широко используются синусоидальные и им-
пульсные сигналы, модулированные по частоте, фазе или длительности.
Такие сигналы имеют высокую помехоустойчивость и мало подвержены
влиянию канала связи. Точность преобразования временных сигналов
принципиально может быть высокой и обеспечивается простыми сред-
ствами. Поэтому цифровые частотомеры и измерители временных интер-
валов составляют одну из самых больших групп ЦИП.
Цифровые приборы вре-
менных интервалов основаны
на методе последовательного
счета и предназначены для из-
мерения периода гармоничес-
ких или импульсных сигналов
и длительности импульсов.
Временной интервал Т мо-
жет быть измерен подсчетом
числа заполняющих его перио-
дов То импульсного кванту-
ющего сигнала u^(t) с образ-
цовой частотой f0 = 1/Г0.
На рис. 12.5, а представ-
лена структурная схема ЦИП
для измерения периода. Перио-
дический сигнал и (t), как
показано на рис. 12.5, б, по-
ступает на вход усилителя-
формирователя УФ, преобра-
зовывает его в импульсный
сигнал uJt) длительностью
Т (рис. 12.5, б), равным
периоду измеряемого сигнала.
а)
Рис. 12.5. ЦИП для измерения периода:
а — структурная схема; б — време.шая диаг-
рамма, УФ - усилитель-формирователь;
К - ключ; ГИ - генератор импульсов; Сч -
счетчик; УИ — устройство индикации
109
Этот импульс открывает ключ К, и импульсы от генератора импуль-
сов ГИ заполняют счетчик Сч. Количество импульсов, подсчитанных Сч
за время Т ,
N= Тх/Т0 = Tofo .
Мерой, с которой сравнивается измеряемый временной интервал,
в данном случае является период То сигнала образцовой частоты f0. Код
со счетчика поступает на устройство цифровой индикации УИ.
Стабильность частоты /0 можно обеспечить применением кварцевого
ГИ, и основной составляющей погрешности является погрешность кванто-
вания измеряемой величины Т .
При несовпадении начала интервала Т* с поступлением импульса ГИ
погрешность квантования имеет вид
Следовательно, максимальная относительная погрешность квантования
SKB=TO/TX = 1/N,
т. е. 5кв -► 0 при /о 00 •
Значение частоты f0 ограничивается допустимой погрешностью изме-
рения наименьшего интервала Т* и быстродействием счетчика. Для повы-
шения точности применяют синхронизацию начала временных ’’ворот”
Тх и квантующих импульсов u.Jt), при этом составляющая погрешности
квантования Д?1 -*0; одновременно осуществляют дополнительную оцен-
ку значения интервала Д?2- Уменьшению погрешности квантования 6
способствует также усреднение результатов за п периодов. В этом случае
время измерения оказывается равным Т'х=пТ (п обычно равно 1(Л,
где к — целое положительное число), а относительная погрешность кванто-
вания
6кв = 1/"Г/0’
при этом уменьшается в п раз, однако во столько же раз возрастают вре-
мя измерения и емкость счетчика. Измерение длительности импульса
аналогично измерению периода.
Рассмотренная структура ЦИП лежит в основе ряда приборов, пред-
назначенных для измерения фазы, частоты, напряжения. Цифровые фазо-
метры предназначены для измерений углов поворота, снятия фаэочастот-
ных характеристик различных звеньев. Цифровые фазометры можно
разделить на две группы: для измерения мгновенного значения сдвига
фаз и для измерения среднего значения сдвига фаз. Сдвиг по фазе <рх между
двумя напряжениями U\(t) и u2(t) легко преобразуется во временной
интервал т*.
Поэтому схема цифрового фазометра отличается от схемы ЦИП для
измерения временных интервалов двумя формирователями Ф1 и Ф2,
формирующими старт- и стоп-импульсы в момент перехода кривых напря-
жений Ui(t) и u2(t) через нуль, и блоком выделения временного интервала
БВВИ (рис. 12.6, а, б).
110
Фазовый сдвиг гармоничес-
ких колебаний
'f>x = 2’nTxlTx'
где Тх = l/f — период коле-
баний; тх — временной сдвиг
между колебаниями.
Таким образом, в соответ-
ствии со структурной схемой
на рис. 12.6, а количество
импульсов сигнала uN(t) об-
разцовой частоты f0 с ГИ,
поступившее за время тх в
счетчик Сч, будет равно
4p=7xf°’
отсюда
V4V0 =^(12-7)
Из (12.7) следует, что при
измерении фазового сдвига не-
обходимо:
либо обеспечить постоян-
ство частоты измеряемого сиг-
а)
Рис. 12.6. Цифровой фазометр: f
а - структурная схема; б - временная диаг-
рамма; (БВВИ - блок выделения временных
интервалов; Ф — формирователь; К - ключ;
ГИ — генератор импульсов; Сч — счетчик;
УИ - устройство индикации)
нала;
либо обеспечить постоянство отношения частот fx/fo5
либо измерить значение периода NT =f0T0 и затем можно вычислить
= 2nN„/Nr х
^Х У Тх
Максимальная погрешность квантования при измерении фазы про-
порциональна частоте входного сигнала
Акв = ±2ЧД°-
Сравнение структурных схем ЦИП для измерения временных интер-
валов, для измерения фазы и цифровых частотомеров указывает на зна-
чительную близость их как по составу основных блоков (генераторы об-
разцовой частоты, делители частоты, формирователи, счетчики, цифровая
система отображения информации и т.п.), так и по связям между ними,
и общему алгоритму работы прибора. Поэтому измерители временных
интервалов, фазометры и частотомеры строятся в виде одного универ-
сального цифрового измерительного прибора — электронно-счетного часто-
томера.
Этот прибор можно переключить в режимы измерения частоты / перио-
дических сигналов, периода Т или интервала времени t, отношения частот
j\/f2 и периодов 'G/T/, а также в режим подсчета количества импульсов
N за время, определяемое внешними событиями.
Цифровые приборы для измерения постоянных напряжений и токов
111
Рис. 12.7. ЦИП развертывающего
преобразования:
а - структурная схема; б - вре-
менная диаграмма; [ГПН - гене-
ратор пилоообразного напряжения;
ГИ - генератор импульсов; ДЧ -
делитель частоты; Т - триггер;
УС — устройство сравнения; К -
ключ; Сч - счетчик; УИ - устрой-
ство индикации)
/
/
представляют собой самый большой класс цифровых приборов, что Объ-
ясняется высокой точностью и небольшими затратами при преобразова-
нии многих физических величин в постоянные напряжение и ток.
Используя ЦИП, производят- непосредственное измерение постоян-
ного напряжения. Измерение тока осуществляется косвенным образом —
путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе.
Рассмотрим некоторые структуры вольтметров. Цифровые вольт-
метры (ЦВ) временного преобразования реализуются по методу развер-
тывающего преобразования и могут быть неинтегрирующими и интег-
рирующими (ИЦВ).
Неинтегрирующие ЦВ предназначены для измерения мгновенных
значений входного напряжения. Эти вольтметры не защищены от действия
помех и не обеспечивают высокой чувствительности и разрешающей спо-
собности. Здесь значение измеряемого напряжения их предварительно пре-
образуется в интервал времени Т , который кодируется методом после-
довательного счета. На рис. 12.7, а, б представлены структурная схема
и временная диаграмма работы цифрового вольтметра развертывающего
временного преобразования (ЦВР). В ЦБР преобразование их в Тх произ-
водится посредством сравнения их с линейно изменяющимся напряже-
нием но, формируемым генератором пилоообразного напряжения ГПН.
Импульсы запуска, вырабатывае-
мые генератором импульса ГИ и дели-
телем частоты ДЧ, устанавливают триг-
гер Т в единичное состояние и запуска-
ют ГПН, который формирует напря-
жение развертки u = v t, где v =
- и /Т — скорость нарастания пило-
образного напряжения; и m — мак-
симальное значение напряжения разверт-
ки; Т — время развертки. Обычно
ГПН Представляет собой интегратор,
подключаемый на заданное время к
источнику постоянного опорного на-
пряжения.
В момент равенства и и и устрой-
ство сравнения УС вырабатывает им-
пульс, возвращающий триггер Т в ну-
левое состояние. Триггер Т форми-
рует импульс нт длительностью
7’х = “хАр’
в течение которой открыт ключ К и
импульсы образцовой частоты /0 по-
ступают в счетчик Сч. Количество им-
пульсов , накапливаемых в Сч,
112
N-Txf0 = uxf0/vp.
При условии f0/v = 1(/, выбрав к, можно получить на УИ значение
их в требуемых единицах измерения (вольт , милливольт и т.д.).
Интегрирующие цифровые вольтметры получили наибольшее рас-
пространение среди цифровых вольтметров. Главное достоинство их —
высокая помехозащищенность.
Как известно, самой распространенной помехой является переменное
напряжение с частотой промышленной сети.
Применение фильтров низких частот для снижения действия поме-
хи ухудшает метрологические характеристики прибора, уменьшает вход-
ное сопротивление и быстродействие.
Интегрирование входного напряжения, т. е. усреднение за некоторый
фиксированный интервал времени, позволяет получить результат (теоре-
тически) без влияния помехи. Действительно, допустим помеха описыва-
ется выражением
и = и „ sin со t ,
п птах ’
где и тах — амплитудное значение напряжения помехи.
Показания ИЦВ определяются из выражения
1 ДГ« 1
/ {~UX + U^dt = UX + ±T L
п и п и
Приняв Д tn = 2-пк/со =Tk (к = 1, 2, 3 ...), получаем равенство их ср =их.
Метод интегрирования нашел свое развитие в ИЦВ двухтактного ин-
тегрирования, в которых происходит сравнение интегралов измеряемого
и образцового напряжений.
На рис. 12.8, а, б приведены соответственно структурная схема циф-
рового вольтметра двухтактного интегрирования (ИЦВ) и временная
диаграмма его работы. Работа ИЦВ инициируется поступлением импульса
запуска из от устройства управления и триггер Т1 открывает ключ К2,
разрешая тем самым прохождение на интегратор И измеряемого напря-
жения их-
Одновременно открывается ключ КЗ и импульсы с частотой f0 с ГИ
поступают на вход делителя частоты ДЧ. При выбранном коэффициенте
деления Ко через время То = t2 - h на выходе ДЧ появляется импульс
управления триггера Т2 и Т1, который инвертирует их состояния. Тем
самым закрывается ключ К2, заканчивая интегрирование измеряемого
напряжения их, и открывается ключ К1, подключающий на вход /Топор-
ное напряжение и , полярность которого противоположна полярности
"х’ „
В момент времени t2 напряжение на выходе И
1 12
w„c2) = i,x(t)dt -
11
где т — постоянная времени интегрирования.
После t > t2 на выходе И будет напряжение
113
un(t) = un(t2)- 4- iuondt.
ti
В момент времени t3, когда напряжение к„(?з) = О, срабатывает уст-
ройство сравнения (УС), триггер Т2 возвращается в исходное состояние,
ключ К1 закрывается и интегрирование заканчивается.
При этом
4" f2ux(t)dt-----г J3 uodt = О,
О t2
откуда
ux(t2 -tl)lT = Uo(t3 -t2)lT,
или
и то = и0Т ; Т = тои /и0 = KOUJuofo ,
л л л л _а
Рис. 12.8. ЦИП двухтактного интегри-
рования: г
а - структурная схема; б — временная
диаграмма (К - ключ; Т - триггер;
И - интегратор; УС - устройство срав-
нения; Сч — счетчик; ДЧ - делитель
частоты; ГИ - генератор импульсов;
VH - устройство индикации)
114
где й — среднее за время То =
= ^о/Го значение измеряемого на-
пряжения; Тх = t3 — t2 — дли-
тельность импульса на выходе Т2.
Импульс ит2 с Длительностью Т
открывает счетчик Сч. Количест-
во импульсов при этом
NX = TJ°=K°“X/uOn (12.8)
пропорционально среднему значе-
нию измеряемого напряжения.
Как видно из приведенного
описания, в ЦВ двухтактного ин-
тегрирования значение измеряемо-
го напряжения сначала преобразу-
ется во временной интервал,
который затем кодируется мето-
дом последовательного счета.
Из (12.8) следует, что резуль-
тат измерения N не зависит от
значения постоянной времени ин-
тегрирования т интегратора и час-
тоты /о-
ИЦВ двухтактного интегриро-
вания имеют значительно меньшую
погрешность измерения, чем ЦВ
развертывающего временного пре-
образования.
Отметим, что ИЦВ двухтакт-
ного интегрирования обладают
большой помехоустойчивостью.
Полная инвариантность от влияния
периодической помехи может быть достигнута при условии, когда вре-
мя интегрирования То будет равно или кратно периоду помехи 7'пом-
Так как основное влияние оказывает сетевая помеха частотой 50 Гц, то,
выбирая длительность То = 20Л [мс] (к — положительное целое число),
т. е. кратной периоду сетевой помехи, можно обеспечить значение коэф-
фициента подавления помехи нормального вида более 40 дБ. Для борь-
бы с погрешностью, вызываемой колебаниями частоты помехи, приме-
няют генератор импульсов (ГИ) f0 с блоком автоподстройки частоты
(БАПЧ), который выделяет период помехи Т и, преобразуя его в напря-
жение, управляет частотой ГИ так, чтобы То - ^иом к.
Как правило, ИЦВ двухтактного интегрирования обеспечивают 10 —
20 измерений в секунду. Интегрирующие ЦВ используются и в ИИС в
качестве прецизионных АЦП.
Цифровые вольтметры частотного преобразования основаны на про-
межуточном преобразовании ujt) в частоту импульсного или гармони-
ческого сигнала с дальнейшим преобразованием этой частоты в код. На
этом принципе могут быть выполнены и цифровые интегрирующие при-
боры. Допустим,
4 ^-киХ’
где к — коэффициент преобразования.
Частота f измеряется цифровым частотомером. Подсчет количест-
ва импульсов счетчиком за некоторое время Тр и представляет собой
операцию интегрирования: Л7= r}fxdt.
Следовательно, показание вольтметра с частотным преобразованием
N- f <ku dt =kToiT
о
пропорционально среднему за время То значению их-
Выберем длительность То кратной периоду помехи. Тогда сущест-
венно уменьшится ее воздействие. Кроме погрешностей, присущих циф-
ровому частотомеру, для цифрового вольтметра с частотным преобразова-
нием необходимо учитывать нелинейность и нестабильность характерис-
тик преобразования их в fx- Выпускаемые серийно интегрирующие ЦВ
частотного преобразования обеспечивают погрешность измерения 0,01 —
0,1 % и подавления помехи 60 — 70 дБ.
Цифровые вольтметры с непосредственным преобразованием напря-
жения в код основаны на методах параллельного и параллельно-последо-
вательного АЦ-преобразования и их параметры полностью определяются
соответствующими АЦП.
Цифровые вольтметры уравновешивающего преобразования тесно
связаны с аналогичными АЦП и в них используется обратная связь, кото-
рая предполагает наличие в приборе ЦАП.
На рис. 12.9, а, б приведены соответственно структурная схема и вре-
менная диаграмма работы цифрового вольтметра ЦВ развертывающего
уравновешивания с единичным приближением. На рис. 12.10, а видно,
что здесь реализуется метод последовательного счета.
115
Рис. 12.9. ЦВ развертывающего пре-
образования:
а ~ структурная схема; б — времен-
ная диаграмма (УС - устройство
сравнения; ЦАП — цифроаналоговый
преобразователь; Сч - счетчик; К —
ключ; ГИ — генератор импульсов;
ИОН — источник опорного напря-
жения)
Измеряемое напряжение их подается на один из входов УС, а компен-
сирующее напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя
(ЦАП) — на другой. С приходом импульса запуска и3 от устройства управ-
ления счетчик Сч сбрасывается в нуль. Компенсирующее напряжение ик
при этом равно нулю и на выходе-УС появляется единичный сигнал ис,
подтверждающий, что их > и . Этот сигнал открывает ключ К и тактовые
импульсы с частотой fj с ГИ начинают накапливаться в Сч. Код с парал-
лельного выхода Сч преобразуется в ЦАП в ступенчато-нарастающее ком-
пенсирующее напряжение ик- Процесс продолжается до тех пор, пока
и* не станет равным их. После этого сигнал ис изменяется и закрывает
ключ К.
Выходной код счетчика
N=uxT/u0 ,
где к0/2” — шаг квантования; и0 — значение образцового напряжения
ИОН; п — разрядность счетчика Сч.
Скорость нарастания компенсирующего напряжения постоянна и
определяется частотой fT- Значение fT ограничено ЦАП. Время измерения
является переменным и зависит от и*. Максимальное значение времени
измерения
ыб
Погрешность таких вольтметров определяется в основном погреш-
ностью ЦАП и достигает 0,002 — 0,1 %.
В табл. 12.1 приведены основные технические данные цифровых вольт-
метров, амперметров и комбинированных приборов, выпускаемых в
СССР [2.33] .
В табл. 12.2 приведены основные технические данные некоторых
типов цифровых частотомеров и фазометров, выпускаемых в СССР.
Цифровые приборы пространственного преобразования. Для изме-
рения линейных и угловых перемещений, а также других неэлектричес-
ких величин, которые могут быть преобразованы в перемещение, при-
меняются ЦИП пространственного преобразования.
Ключевым элементом (блоком) ЦИП пространственного преобразо-
вания является блок, преобразующий само перемещение, т. е. координа-
ты пространства в электрические сигналы. Несмотря на большое коли-
чество физических принципов преобразования структурно, их количест-
во невелико.
В зависимости от способа преобразования эти приборы разделяются
на приборы с кодирующими масками и с число-импульсным преобразо-
ванием.
В первом случае для преобразования перемещения в электрическую
величину применяются специальные кодовые маски, снабженные каким-
либо считывающим устройством, например оптоэлектронным. Сами мас-
ки могут быть линейными или круговыми (кодовые диски) и несут на
себе информацию в виде прозрачных и непрозрачных участков, магнит-
ных (немагнитных), излучающих (не излучающих и т.п.), длина которых
соответствует шагу квантования. Количество кодовых дорожек на мас-
ке определяет число разрядов выходного кода, при этом информация с
каждой дорожки считывается независимо. В ЦИП пространственного пре-
образования операции квантования и кодирования значения измеряемой
величины осуществляются одновременно. На рис. 12.10 изображена четы-
рехразрядная кодирующая линейка. Заштрихованные участки соответ-
ствуют единицам соответствующих разрядов кода.
Отсчет производится с помощью фотосчитывающих устройств (ФСУ),
расположенных на одном уровне перпендикулярно направлению движе-
ния, причем перемещаться может либо кодовая маска, либо ФСУ. При
использовании кодирующих дисков ФСУ располагаются неподвижно по
одному радиусу диска, а преобразуемой величиной является угол поворо-
та диска.
Кодовые маски обеспечивают высокую разрешающую способность
(до 20 двоичных разрядов), малую погрешность (0,0002 %) и высокое
быстродействие.
Однако из-за неидеальности конструктивного исполнения (например,
перекоса осевой линии ФСУ) могут возникнуть ошибки при считывании.
При этом в выходной результат могут попасть разряды из соседних кодо-
вых комбинаций. Например, на границе кодов 7(0111) и 8(1000) возмож-
но считывание кодов 15(1111) или 0(0000), что приводит к погрешности,
117
Цифровые вольтметры
Таблица! 2.1
Наименование, тип Параметры входа Параметры выхода Основная погрешность Быстродействие
Вольтметры цифро- вые Ф4830 Напряжение постоян- Цифровая индикация: число знаков ± 0,1/±0,06 % (диапазон ное от 0 - 0,0005 до отсчета 5; информационный сигнал:± 1 В), ± 0,15/± 0,1 % 0 - 1000 В потенциальный параллельный дво- (другие диапазоны) ично-десятичный код 8-4-2-1 50-5 изм/с
Щ304/1.2 Напряжение постоян- Цифровая индикация; информаци- ± (0,05/0,02 — 0,2/0,1) % ное 0 - 10"3, 0 - 500 В онный сигнал: потенциальный дво- ично-десятичный код 8—4—2-1 40 мс
Щ1612 Напряжение постоян- Цифровая индикация; информаци- ± 0,001 % ное от 0—0,1 до 0— онный сигнал: потенциальный па- 1000 В раллельный двоично-десятичный код 8-4-2-1 0,5 - 1 с
Вольтметр цифровой Напряжение постоян- Цифровая индикация: число знаков ± 0,05/± 0,02 % (для диа- 1,5 с (с фильтром)
интегрирующий мик- ром оду льный Ш1413 ное от 0 - 0,1 до 0 - отсчета 5; информационный сигнал: пазона 0 - 10 В), + 0,06/ - 1000 В двоично-десятичный код 8-4-2-1 ± 0,02 % (для других диа- пазонов) 320 мс (без фильтра),
Вольтметр цифровой двухканальный Щ1526 Напряжение постоян- Цифровая индикация; число знаков± 0,01/± 0,005; ± 0,015/ ное от 0 50 мВ до отсчета 5; информационный сигнал: ± 0,005 % 0 - 1000 В (1-й канал), двоично-десятичный код 8—4-2-1 от 0 - 50 мВ до 0 - 500 В (2-й канал) 400 мс
Вольтметры, ампер- метры цифровые Ф214 Напряжение постоян- Цифровая индикация, число знаков + 0,2/+ 0,1 % ное от 0 - 0.02 до 0 - отсчета 4; информационный сигнал: 200 В (по требованию двоично-десятичный код 8—4—2-1 заказчика: от 0,02 - 5 до 50 - 500 В), ток по- стоянный от 0 - 0,02 « до 0 - 200 мА 120 мс
Щитовой цифровой прибор постоянного тока и напряжения Ф294 Напряжение постоян- Цифровая индикация ± 0,5/± 0,025 % ное от 0 - 0,02 до 0 - 200 В; ток постоян- ный от 0 - 0,02 до 0 - 200 мА
Продолжение табл. 12.1
Наименование, тип Параметры входа Параметры выхода Основная погрешность Быстродействие
Цифровой вольт- метр Ф219 Напряжение перемен- Цифровая индикация; 4 десятич- + 0,4/± 0,25; ± 1.0/± 0,5 % 120 мс ное от 0 - 0,2 до 0 — ных знака; информационный сиг- - 1000 В иал: двоично-десятичный код 8-4-2-1
Цифровой вольт- метр среднеквад- ратического значе- ния Щ70 Напряжение от 0 - Цифровая индикация ±0,1/±0,2% - - 0,01 до 0 — 500 В
cn
с5
&
в
s
co
X
X
eS
X
РЭ
s
о
О
£
о
X
В
Ф
&
С
I
О
tr>
о
ГО
о
о
п
о
а
Р5
кх
о
X
х*
§ S
ИЗ й<
X ф
X “
5
X
X
Л
рэ
о
&
О
х
X
X
ф
2
ф
&
X
о
£
X
к
§
rt
X
X
э
X
к
оЗ
Р5
О
&
•&
S
я
о
X
PQ
§
z
Ф
2
£
0
о
z
»-
о
i
У
1
о
&
достигающей 50 % максимального значения измеряемой величины. Для
устранения подобной ситуации применяют специальные коды, у которых
две соседние кодовые комбинации всегда отличаются только одним раз-
рядом (например, код Грея, см. рис. 12.10, б). Поскольку разряды та-
ких кодов не имеют постоянного веса, считанный результат затем под-
вергается дополнительному преобразованию в обычный двоичный код.
К недостаткам рассмотренных ЦИП пространственного преобразова-
ния с кодовыми масками следует отнести сложность конструкции меха-
нических частей прибора и трудоемкость изготовления прецизионных
масок, а также значительную подверженность результатов измерения воз-
действию внешних факторов (пыль, вибрация).
В ЦИП число-импульсного преобразования перемещение в простран-
стве преобразуется в электрические импульсы, число которых пропорцио-
нально значению измеряемой величины. Количество импульсов подсчиты-
вается счетчиком. В таких ЦИП для получения импульсов используются
магнитные, контактные, оптические и другие физические принципы.
ЦИП число-импульсного преобразования просты по конструкции
и применяются, как правило, для измерения больших перемещений.
Возможно также сочетание в ЦИП преобразователей число-импуль-
сного типа с кодирующей маской.
§ 12.5. Микропроцессорные цифровые приборы
Совершенствование конструкции и увеличение функциональной слож-
ности цифровых измерительных приборов, приведшие, с одной стороны,
к созданию многофункциональных ЦИП (мультиметры), с другой — к
созданию ряда приборов и измерительных систем с усложненной цифро-
вой обработкой, потребовали использования конечных автоматов с боль-
шим количеством состояний.
Появление первых микропроцессоров (МП) в интегральном исполне-
нии и дальнейший быстрый их прогресс и удешевление коренным образом
изменили подходы к разработке многофункциональных ЦИП [2.8, 2.14,
2.24] .
Микропроцессор — это устройство, состоящее из одной, редко не-
скольких интегральных схем (БИС) и выполняющее ряд функций цент-
рального процессора программируемой вычислительной машины.
На рис. 12.11 приведена организация типичного МП, широко применяе-
мого в ЦИП. Арифметическо-логические устройства (АЛУ) служат для
выполнения, как правило, простых операций: сложения, вычитания, раз-
личных пересылок типа ’’регистр—регистр”, ’’регистр—память”, "регистр—
внешнее устройство”, разнообразных сдвигов и операций булевой алгеб-
ры над исходными операндами. В состав блока внутренних регистров
(БВР) входят как регистры, доступные программисту, т. е. те, содержание
которых можно изменять непосредственно, так и не доступные для него
регистры временного хранения и др.
Устройство управления (УУ) координирует работу АЛУ, БВР и неко-
121
Рис. 12.11. Архитектура типового
МП:
АЛУ — арифметическое логическое
устройство; УУ - управляющее уст-
ройство; ВВР - блок внутренних
регистров; ГТИ - генератор такто-
торых других устройств МП в процес-
се выполнения команды, поступившей
в процессор. Микропроцессор имеет
внутреннюю шинную организацию, ко-
торая переходит во внешние шины:
шину управления (ШУ), шину данных
(ШД), шину адреса (ША). С помощью
сигналов ШУ можно в известных пре-
делах изменять конфигурацию микро-
ЭВМ, создаваемой на данном МП,
подключая к ШУ организованный соот-
ветствующим образом небольшой
внешний жесткий автомат. К шине
данных, имеющей разрядность самого
МП, подключаются все внешние уст-
ройства системы: ПЗУ, ОЗУ, порты.
В некоторых микропроцессорах ШД
вых импульсов мультиплексируется и используется для
передачи дополнительной информации от МП. Шина данных является дву-
направленной, как частично и шина управления. От МП по ША переда-
ются адреса соответствующих внешних устройств (ВУ) и памяти. Объем
адресуемой памяти колеблется от 64К до 1М слов с разрядностью от 8 до
32 бит. Сама память системы разделяется на те же типы и по тем же приз-
накам, как и в больших ЭВМ, за исключением того, что в МП как правило,
нет разделения на память данных и память команд, т. е. нет двух раздель-
ных шин данных.
Применение МП в измерительной технике позволяет резко повысить
точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить
надежность, решать задачи, которые ранее вообще не рассматривались.
Основные функции, возлагаемые на МП в ЦИП:
измерение — управление АЦ-преобразованием: линеаризация функции
преобразования; автоматический выбор пределов измерения; выбор ка-
налов и типов измерения; компенсация помех; исключение системати-
ческих погрешностей;
обработка — накопление массивов измерительной информации; кос-
венное измерение; статистическая и другие виды обработки; сжатие дан-
ных; адаптация к входному сигналу;
управление — прием управляющих воздействий оператора; настрой-
ка прибора на режим работы; контроль за действиями оператора с воз-
можностью коррекции его ошибок; выдача справочной информации;
сигнализация в экстремальных ситуациях;
отображение — управление работой СОИ; хранение результатов пре-
дыдущих измерений; отображение текстовой информации большого объ-
ема; отображение графической информации; вспомогательная и сервис-
ная информация (время,дата и т.п.);
интерфейсные функции - управление интерфейсом; работа в комп-
лексе с другими ЦИП;
122
тестовые функции — самотестирование; калибровка измерительных
каналов.
Как видно из приведенного списка возможных функций МП, его при-
менение приводит к резкому улучшению характеристик ЦИП и управле-
нию его функционированием наряду с усложнением решаемых задач.
Постоянно усложняющиеся алгоритмы обработки измерительной инфор-
мации предъявляют повышенные требования к вычислительной мощнос-
ти МП, что приводит к необходимости создания и применения специали-
зированных сопроцессоров. В ряде случаев для ЦИП создают многопро-
цессорную систему управления, в которой осуществляется специализация
функций процессоров: процессор ввода-вывода, процессор управления,
процессор обработки и т.д.
Применение в измерительной технике МП и микроЭВМ породило
новый класс цифровых программируемых многоканальных измеритель-
ных приборов, получивших за рубежом наименование логгеров (регист-
раторы данных). На рис. 12.12 приведена обобщенная структурная схема
такого прибора.
Как видно, типовой логгер построен на концепции шинной организа-
ции и по блочно-модульному типу. Здесь все элементы измерительной
системы рассматриваются как внешние устройства (ВУ) для МП или мик-
роЭВМ.
Логгеры могут содержать до 100 измерительных каналов, опрашивае-
мых синхронно или асинхронно, причем частота опроса может изменять-
ся в широких пределах.
Встроенный МП управляет прибором согласно заданной программе.
В большинстве современных логгеров программа управления хранится
Рис. 12.12. Обобщенная структурная
схема регистратора данных:
БК - блок коммутатора; ЦСОИ -
цифровая система отображения инфор-
мации; ПО - пульт оператора; МС —
модуль сопряжения
Рис. 12.13. Структурная схема цифро-
вого время-импульсного вольтметра с
МП-.
М - мультиплексор; ВБ - входной
блок; ИОН — источник образцового
напряжения; Д — дисплей
123
на дисках и лентах. В последнее время большое распространение получи-
ли ЦИП, построенные на базе персональных ЭВМ, вычислительные воз-
можности которых и сама архитектура оказались достаточно приспособ-
ленными для этого. Появившаяся ’’избыточная” вычислительная мощ-
ность и наличие хорошо развитых структур персональных компьютеров
позволили осуществить разумное сочетание аппаратных и программных
средств при создании новых ЦИП.
На рис. 12.13 представлена структурная схема цифрового вольтмет-
ра время-импульсного преобразования с МП и дисплеем Д. Как видно
из приведенной структуры, МП-система управляет всей последователь-
ностью операций при работе прибора. Действительно, управляющие коман-
ды МП-система получает с выхода устройства сравнения УС, на вход 1
которого последовательно подаются сигналы с мультиплексора СМ), рав-
ные нулю (вход W); ^изм от входного блока ВБ (вход 2М) и С/ -
от источника опорного напряжения ИОН (вход ЗМ). На вход 2 УС пода-
ется линейно изменяющееся напряжение Сп от И. МП-система между при-
ходами команды преобразования с компаратора последовательно выраба-
тывает сигналы сбороса СС на И. При этом каждый раз И формирует им-
пульс линейно растущего напряжения И^. С приходом импульсов МП-
система последовательно измеряет временной интервал Д?! (заполняется
импульсами от ГТИ) и числовой эквивалент результата измерения TVj
запоминается в МП. Далее измеряется Д (соответственно N2), пропор-
циональное низм» и затем Д?3 (соответственно А^з), пропорциональное
выходному сигналу ИОН.
МП вычисляет значение и по формуле
ыИЗм=с^ -мт -мл
где с — постоянная прибора.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите операции, выполняемые в цифровых приборах.
2. Поясните сущность метода последовательного счета.
3. Поясните сущность метода поразрядного уравновешивания.
4. Поясните сущность метода одновременного считывания.
5. Каковы принципы построения ЦАП?
6. Каковы основные характеристики цифровых приборов?
7. Укажите структуры цифровых приборов с кодированием частоты импульсов.
8. Укажите структуры цифровых приборов с кодированием интервалов времени.
9. Укажите структуры цифровых приборов напряжения постоянного тока.
10. Укажите структурные особенности микропроцессорных цифровых приборов.
ГЛАВ А 13. АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
§ 13.1. Общие вопросы автоматической коррекции погрешностей
Использование микропроцессорных средств непосредственно в соста-
ве измерительных приборов для обработки информации позволяет за
счет реализации новой структуры и соответствующей организации изме-
рительной процедуры, как было показано, не только существенно улуч-
шить метрологические характеристики, но и упростить аппаратную часть
и повысить метрологическую надежность устройств [1-10,2-9] .
Методы автоматической коррекции погрешностей цифровых измери-
тельных приборов в литературе объединяются под названием ’’алгорит-
мические” или ’’структурные”. Основная идея указанных методов авто-
матической коррекции погрешностей заключается в ’’трансформации”
быстродействия в точность.
Следует отметить, что поведение систематических и случайных погреш-
ностей по времени1 различно и поэтому отличаются методы их коррекции.
Известно, что при постоянстве во времени измеряемой величины наиболее
эффективным методом уменьшения случайных погрешностей являются
многократные наблюдения с последующим усреднением результатов.
При этом погрешность среднего значения результата измерения уменьша-
ется в у/гГраз, где п — число наблюдений.
Значительные трудности возникают при уменьшении случайной по-
грешности при изменении во времени входной измеряемой величины.
При этом для получения наилучшей оценки измеряемой величины при-
меняют процедуру фильтрации. В зависимости от вида используемых
преобразований различают линейную и нелинейную фильтрацию, где реа-
лизация отдельных процедур может быть осуществлена как аппаратными,
так и программными средствами. Этот вопрос был рассмотрен во втором
разделе, более подробно он изложен в специальной литературе.
Вопросы обработки результатов многократных наблюдений были
рассмотрены в первом разделе, поэтому в настоящей главе изучаются
лишь методы автоматического уменьшения систематических погрешнос-
тей цифровых приборов. Эти методы в литературе подразделяются в ос-
новном на методы вспомогательных измерений, тестовые, итерационные
и многоканальные.
§ 13.2. Метод вспомогательных измерений
Сущность метода заключается в том, что с помощью ВИУ] и ВИУи
измеряются возмущающие воздействия и производится расчет
погрешности измерения по известной для данного прибора зависимости
. Д = ^л2...,у- (13.1)
Функциональная схема цифрового прибора с автоматической кор-
125
Рис. 13.1. Функциональная схема устройства
с автокоррекцией погрешностей по методу
вспомогательных измерений:
ВИУ - вспомогательное измерительное уст-
ройство: [- — помехи
рекцией погрешностей по мето-
ду вспомогательных измерений
представлена на рис. 13.1. Воз-
мущающие факторы - g
измеряются вспомогательными
измерительными устройствами
BHYt — ВИУп, выходные сиг-
налы которых поступают в
вычислительное устройство ВУ,
вырабатывающее соответствую-
щий корректирующий сигнал
у'. В памяти этого устройства
заложены номинальные значе-
ния возмущающих факторов
i-tOM. Корректирующие сигна-
лы определяются в результате
вычитания %. - £*?ом = д
По полученным разностям в
ВУ вычисляется изменение реальной статической передаточной функции
прибора, необходимое для исключения погрешности, обусловленной эти-
ми разностями. Найденный корректирующий сигнал далее используется
для введения поправки в выходной сигнал у в виде У как результата из-
мерения и коррекции.
Достоинство метода заключается в том, что измерение и коррекция
производятся одновременно и непрерывно, по различным каналам. Поэ-
тому рабочий диапазон частот корректируемого прибора не зависит от
характеристик системы коррекции.
К недостаткам описанного метода можно отнести следующее:
корректируется не интегральная погрешность прибора, а только ее
составляющая, обусловленная отличием возмущающих факторов gt -
— g от номинальных значений;
для измерения каждого фактора g. необходимо отдельное ВИУ;
необходима априорная информация о погрешности прибора от сов-
местного действия всех возмущающих факторов, влияние которых кор-
ректируется [см. (13.1)]; необходимо также, чтобы зависимость (13.1)
практически не изменялась во времени;
требуется специальное ВУ.
Поэтому автоматическая коррекция погрешностей по методу вспомо-
гательных измерений практического применения не получила.
Следует отметить, что метод уравновешивающего преобразования
можно рассматривать как разновидность конструктивного пути повыше-
ния точности за счет введения отрицательной обратной связи, когда такой
связью охвачено все измерительное устройство. Однако развитость и важ-
ность этого метода позволяют рассматривать его отдельно. Метод уравно-
вешивающего преобразования эффективен, когда метрологические харак-
теристики цепи обратной связи существенно выше характеристик цепи
126
прямого преобразования. Поэтому в качестве элемента цепи обратной
связи в компенсационных измерительных устройствах обычно использу-
ется переменная образцовая мера измеряемой величины. В компенсаци-
онных цифровых приборах эту функцию выполняет точный ЦАП, погреш-
ность которого в значительной мере определяет результирующую погреш-
ность прибора.
Следует отметить, что в компенсационных приборах мультипликатив-
ные погрешности и погрешности нелинейности цепи прямого преобразо-
вания (как основные, так и дополнительные) практически полностью
исключаются. Однако аддитивные погрешности здесь вообще не коррек-
тируются. Поэтому к компенсационным приборам предъявляются высо-
кие требования по точности источника компенсирующего напряжения,
стабильности коэффициента передачи делителя для сравнения измеряе-
мой и образцовой величин, а также стабильности нулевого уровня чувст-
вительного индикатора равновесия устройств сравнения.
§ 13.3. Тестовые методы коррекции
Сущность тестового метода коррекции погрешностей заключается
в том, что передаточную характеристику основной измерительной цепи
У =f(x) аппроксимируют кусочно-линейной функцией
У=аиХ* + aQi , i = 1,2,3,...,т,
где т — число участков аппроксимации.
Производя дополнительные измерения преобразованной соответствую-
щим образом измеряемой величины, определяются реальные значения
коэффициентов и aQj и далее вычисляют истинное значение измеряе-
мой величины (с точностью до погрешности аппроксимации).
Структурная схема устройства, реализующего такой метод коррек-
ции, представлена на рис. 13.2. Процесс измерения состоит из трех по-
следовательных измерительных тактов. В первом такте с помощью пере-
ключателя П ко входу АЦП подключается измеряемая величина х*. Во
время второго такта на этот же вход подается сумма (в общем случае
алгербраическая) измеряемой величины и образцовой меры х4 + М. В
третьем такте ко входу АЦП подключается измеряемая величина, умно-
женная на коэффициент передачи масштабного преобразователя К. В ре-
зультате трех тактовых измерений получают систему уравнений
У1 = а2х^ +а 0;
У2 =ai (х* +ЛЦ +«0;
Уз =aikx^ +а0 ,
откуда
у =ук-Уз. =х (13.2)
>рез П—1 У2-У1 * '
Рис. 13.2. Структурная схема устрой-
ства, реализующего тестовый метод
коррекции погрешностей:
М — мера; П — переключатель; К —
коэффициент деления
нейная составляющая погрешности
Необходимые вычислительные
операции (вычитание кодов, деле-
ние и умножение на постоянный
коэффициент) выполняются ВУ.
При реализации алгоритма (13.2)
аддитивная и мультипликативная
составляющие статической система-
тической погрешности АЦП, естест-
венно, исключаются полностью (сни-
жаются до уровня, определяемого
точностью задания М и К), а нели-
тем больше, чем меньше участок ап-
проксимации.
Если по какой-либо причине трудно обеспечить высокую точность
коэффициента передачи К масштабного преобразователя, то производят
четвертое тактовое измерение, в процессе которого на вход АЦП подает-
ся величина К(х* +М) -У^
В итоге скорректированный результат измерения
- <13-3>
Достоинством алгоритмов (13.2) и (13.3) является то, что они поз-
воляют в значительной мере скорректировать все составляющие статичес-
кой погрешности основной измерительной цепи, используя только одно
значение образцовой меры измеряемой величины и одноступенчатый точ-
ный масштабный преобразователь, или даже только одно значение образ-
цовой меры. Получение суммы измеряемой величины и образцовой меры
в отличие от получения их разности возможно почти для всех измеряе-
мых параметров. В то же время умножение на постоянный .коэффициент
для многих измеряемых величин неосуществимо. Например, такие часто
встречающиеся в качестве объектов измерения электрические парамет-
ры, как сопротивление, емкость и индуктивность, нельзя умножить на
постоянный коэффициент (во всяком случае достаточно простым путем).
Это обстоятельство в значительной степени снижает универсальность дан-
ного метода коррекции.
Определенной технической трудностью при реализации данного мето-
да является также необходимость обеспечения высокого обобщенного
входного сопротивления масштабного преобразователя (при недостаточ-
но высоком сопротивлении в результате измерения будет вноситься мето-
дическая погрешность). Принципиальным и существенным недостатком
данного метода коррекции является необходимость вычисления отноше-
ния разностей близких между собой чисел. Действительно, степень кор-
рекции нелинейной составляющей погрешности тем больше, чем меньше
участок аппроксимации, т. е. чем меньше М и ближе к единице коэффи-
циент К. Поэтому длина участка аппроксимации не должна превышать
0,1 — 0,2 от диапазона измерения. Влияние только погрешности дискрет-
ности результатов измерений yt — у4 на результирующую погрешность
128
Рис. 13.3. Структурная
схема устройства с тре-
мя АЦП
Рис. 13.4. Структурная
схема самокорректи-
рующего измерительно-
го устройства (БП —
блок памяти)
при реализации алгоритма (13.2) возрастает в среднем в 5 — 10 раз, а
при реализации алгоритма (13.3) — в 50 — 100 раз. Поэтому необходимо
во столько же раз уменьшить погрешность дискретности. Иными слова-
ми, необходимо на один-два порядка повысить чувствительность АЦП
по сравнению с номинальным значением.
При реализации данного метода коррекции происходит усиление быст-
ропеременных случайных погрешностей, а также динамической погреш-
ности. Для снижения динамической погрешности предлагается измерять
г», х, + М и Кх* одновременно с помощью трех идентичных АЦП [1.11]
Если считать, что процесс измерения во всех трех преобразователях закан-
чивается одновременно, то при коррекции по (13.2) динамическая по-
грешность в скорректированном результате измерения не будет уси-
ливаться.
Структурная схема такого устройства представлена на рис. 13.3. В
каждом такте с помощью АЦП1 — АЦПЗ измеряются х*. х* + М и Кх*,
причем в разных тактах эти величины с помощью комбинационного пере-
ключателя П подводятся к разным АЦП. В результате получается девять
кодов, соответствующая обработка которых позволяет определить значе-
ния х* в моменты тактов измерения, свободных от динамической по-
грешности.
Уменьшение быстропеременных случайных погрешностей АЦП осу-
ществляется также при реализации алгоритма коррекции с помощью уст-
ройства, функциональная схема которого показана на рис. 13.4. Работа
прибора начинается с цикла ’’самообучения”. Осуществляются три так-
товых измерения величин х*. х* + М и Кх*. По полученным кодам —
- у3 в ВУ1 определяются оценки Oj и а0 параметров аппроксимации
а, иа0 передаточной характеристики АЦП:
21 = Уг + Да1» «о = Ji - V ~/3 = «о + Дао ,
М 1 — л
где До, и Да0 — случайные погрешности оценок.
5 - 1431
129
Найденные значения а} и а0 запоминаются в БП1 и БП2. Цикл ’’само-
обучения” состоит из п измерений и последующего усреднения полученных
оценок: „ п
£ (av). S (Д01) .
“1 = + '-=L-й;
S <13-4>
„ - 1=1 ' _ „ + 1=1 '
а°-----Л-------а°+ ----п--------•
Полагаем,что (A at). и (Aa0)i — некоррелированные случайные по-
грешности с нулевым математическим ожиданием, поэтому с ростом
nat ->at и а0 -+а0. Число измерений п цикла”самообучения” обычно выби-
рают из условия допустимого отличия а1 ОТД1 иЭ'о ота0 [1.11] .
По окончании цикла ’’самообучения” при проведении (н + 1) -го цик-
ла измерения скорректированный результат определяется в ВУ2:
Зрез = ~“о)1а 1 -
Одновременно по (13.4) находят (и + 1)-е оценки («1)й + j и
(а0)и + j» которые направляются в БП1 и БП2 для формирования новых
средних значений и а0.
Для снижения случайной погрешности скорректированного резуль-
тата хотя бы до уровня, определяемого случайной погрешностью АЦП,
число тактов измерения п должно быть порядка нескольких сотен. В те-
чение всего цикла ’’самообучения” измеряемая величина х* должна быть
практически неизменной.
При применении данного метода коррекции рассмотренный способ
уменьшения быстропеременных случайных погрешностей оказывается
достаточно сложным.
§ 13.4. Итерационные методы коррекции
В основе рассматриваемого подхода лежит метод замещения неиз-
вестной измеряемой величины х* некоторой известной постоянной, полу-
чаемой с помощью точного ЦАП с характеристикой ip(z). Задача состоит
в отыскании такого кода z = z*, управляющего работой ЦАП, при кото-
ром результаты измерения х* и известный выходной сигнал tp(z ЦАП
совпадают:
F [tffzjl =F(xJ. (13.5)
Уравнение (13.5) назовем уравнением коррекции. Отыскание кода
z = z*, удовлетворяющего (13.5), производится итерационно (последо-
вательным приближением) с помощью следующего алгоритма:
z„ + l=^-7^^[sPM - F(xj], и=0,1,2, (13.6)
где п — номер итерации (цикла коррекции); zn — н-й скорректирован-
ный результат (код ЦАП); у(п) — параметр алгоритма, называемый ша-
гом; F — функция преобразования корректируемого тракта аналого-
130
Рис. 13.5. Структурная схема самокорректирующего ЦВ:
S - переключатель; RG - блок управления
цифрового преобразователя; р — функция преобразования ЦАП. Приве-
денный алгоритм известен в теории методов повышения точности измере-
ний как обобщенный алгоритм итерационной коррекции погрешностей.
Укажем, что различные частные алгоритмы итерационной коррекции по-
грешностей могут быть получены из (13.6) конкретным заданием прави-
ла выбора шага у (и) на каждой итерации.
Структурная схема самокорректирующегося измерительного устрой-
ства, использующего обобщенный алгоритм (13.6), приведена на рис.
13.5. Измерение и коррекция погрешностей на каждой итерации выпол-
няются в два этапа.
Первый этап — определение F(x*). Переключатель П находится в поло-
жении 1. Входная измеряемая величина х* подается на вход корректируе-
мого тракта АЦП; определяется F(x*), полученный код запоминается в
регистре памяти устройства (на рисунке не показан).
Второй этап — коррекция погрешностей. Переключатель П переводит-
ся в положение 2. На вход корректируемого тракта АЦП подается входная
величина ЦАП Измеренное значение F [>pfznJ] вместе с zn и F(x*)
позволяет йайти новый скорректированный результат, определяемый
алгоритмом коррекции (13.6). Полученный код zn + j записывается в
регистр ЦАП, где хранится в качестве нового уточненного приближения
к искомому результату z*. На этом одна итерация (один цикл коррек-
ции) заканчивается. Все последующие итерации полностью идентичны
описанному.
Циклическое выполнение измерительно-вычислительных операций,
задаваемых алгоритмом (13.6), обеспечит в случае сходимости процесса
коррекции последовательное приближение zn к ’’истинному” значению
z*. Одновременно с этим выходная величина ЦАП хп =<p(zn) стремится
к значению х* измеряемой входной величины.
Покажем, что описанная процедура обеспечивает коррекцию система-
тических погрешностей тракта АЦП. Действительно, как следует из обоб-
щенного алгоритма (13.6), по мере приближения к z* разность zw + j —
131
- z стремится к нулю, в силу чего { F [<p(zJ] - F(x*) } -* 0. Таким
образом, при п -+°° F [<p(znJ] -> F(x*).
С ростом числа итераций приближенное равенство F [<p(znJ] F(x*)
выполняется точнее и в пределе переходит в равенство
F [<p(zj] = F(xJ . (13.7)
Оператор F аналого-цифрового преобразования, входящий в обе части
(13.7), исключается из окончательного результата:
<p(zj=x* (13.8)
и перестает оказывать влияние на точность измерений. Таким образом,
при любых значениях систематических погрешностей корректируемого
измерительного тракта, задаваемых оператором F, окончательный резуль-
тат свободен и от их влияния. Поскольку при анализе корректирующих
свойств рассмотренной процедуры повышения точности никаких допу-
щений относительно аналитического вида функции преобразования F
не делалось, эффект коррекции погрешностей будет обеспечен для самых
различных измерительных трактов. Это значит, что независимо от того,
линейным или нелинейным окажется корректируемый измерительный
тракт, после завершения всех итераций аддитивная и мультипликативная
погрешности, а также погрешности нелинейности указанного тракта не
окажут влияния на результат преобразования.
Из (13.8) непосредственно следует, что скорректированный резуль-
тат z* связан с измеряемой величиной х* функциональной зависимостью
z.= <*(xj, (13.9)
где <р-1 — функция, обратная функции </> преобразования ЦАП.
Это позволяет рассматриваемым самокорректирующимся измеритель-
ным устройствам обеспечивать совмещение двух полезных функций:
коррекцию погрешностей измерений и функциональное преобразование.
Максимально достижимую точность при использовании метода итера-
ционной коррекции погрешностей ограничивают следующие основные
факторы: погрешность используемого ЦАП; погрешность, обусловлен-
ная наличием входного переключателя /7; неточность фиксации достиже-
ния равенства (13.8), что ограничено главным образом случайными по-
грешностями и погрешностью квантования корректируемого тракта АЦП;
нестабильность характеристики корректируемого измерительного тракта.
Последней из указанных факторов не является существенным, по-
скольку на практике обычно несложно обеспечить требование кратковре-
менной стабильности элементов и узлов корректируемого тракта для
двух быстровыполняемых соседних измерений. Не представляет сложности
и выбор входного переключателя П, не вносящего дополнительных помех.
Для уменьшения случайных погрешностей эффективно используются
тракты интегрирующего измерительного преобразования. Существую-
щие здесь возможности позволяют значительно уменьшить случайные
погрешности, делая их влияние пренебрежимо малым.
132
Таким образом, основным метрологическим ограничивающим фак-
тором при использовании метода итерационной коррекции являются по-
грешности ЦАП, включаемого в тракт обратного преобразования само-
корректирующегося измерительного устройства.
Необходимо отметить, что в отличие от других методов коррекции
систематических погрешностей при итерационной коррекции сбои и ано-
мальные ошибки, возникающие на отдельных итерациях, не нарушают
сходимости процесса коррекции и в итоге исключаются. А это значит,
что указанные ошибки вызывают лишь снижение быстродействия, а не
точности измерений.
Геометрическая интерпретация процесса итерационной коррекции.
Осуществление коррекции погрешностей измерений в соответствии с
алгоритмом (13.7) в математическом отношении эквивалентно решению
уравнения коррекции (13.6), т. е. поиску значения z = z*, обращающего
F - F(xJ в нуль.
Указанное обстоятельство позволяет дать наглядную геометрическую
интерпретацию процессам итерационной коррекции (рис. 13.6). Допустим,
f(z) — функция преобразования АЦП и задано истинное значение измеряе-
мой величины z, а функция преобразования ЦАП линейна, т. е. <p(z) = z.
Рассмотрим геометрическую интерпретацию итерационного алгоритма
(13.7). Пусть в результате (п — 1) итераций получили числовой эквива-
лент измеряемой величины гй _ . Из точки zn _ j восставляем перпенди-
куляр до пересечения с f(z) в точке А. Из точки А проводим прямую до
пересечения с числовой осью и получим числовой эквивалент zn.
Абсцисса точки пересечения представляет собой новое приближение
к значению z*. При этом шаг у(п) алгоритма коррекции (13.7) задает
на каждой итерации угол наклона прямой и равен тангенсу угла BCD (для
п-й итерации у(п) = (zn - z + })/ \F(zn) - F(x*)] . Как следует из рис.
13.6, последовательные приближения z. довольно быстро сходятся к иско-
мому корню z*, численно равному измеряемой величине. Скорость при-
ближения к z* во всех случаях определяется выбранным способом зада-
ния у(п). Это обстоятельство имеет
в основе целой группы самокор-
ректирующихся итерационных уст-
ройств, реализующих принцип авто-
матического выбора шага.
Организация последовательных
приближений к z* всегда начинает-
ся с выбора начального (нулевого)
приближения z0. Поскольку при
фиксированном числе итераций и
заданных ’’корректирующих” спо-
собностях алгоритмов меньшие на-
чальные погрешности [z0 - z*]
обеспечивают большую конечную
точность измерений, точку z0 стре-
принципиальное значение и лежит
Рис. 13.6. Геометрическая интерпретация
итерационного алгоритма коррекции по-
грешности
133
мятся выбрать как можно более приближенной к z*. В итерационных
измерительных структурах задание начального приближения не встре-
чает каких-либо принципиальных, затруднений. При этом z0 выбирают
следующим образом:
по результату измерения F(x*) неизвестной входной величины х*;
в фиксированной точке диапазона измерения;
случайно.
Наиболее распространенный способ задания z0 связан с использова-
нием первого подхода, обеспечивающего наилучшие результаты. Для обыч-
ной нефункциональной коррекции погрешностей начальное приближение
z0 обычно выбирают по номинальной характеристике FH корректируе-
мого тракта:
zo =F~1(yJ ,
где у* = F(x*) — результат измерения х*.
Для линейных и квазилинейных измерительных трактов с характе-
ристикой вида F^(x) - кх нахождение z0 по рассматриваемому способу
сводится к делению у* на константу, т. е. z0 = у^к. Для корректируемых
трактов с характеристикой = * выбор начального приближения
максимально прост: z0 =у*. Именно так задают z0 в цифровых итерацион-
ных вольтметрах напряжения постоянного тока, в вольтметрах средних,
средневыпрямленных и амплитудных значений и в других итерационных
устройствах.
Отметим, что при выборе z0 по результату измерения у* точка z0
всегда привязана к искомому результату z* и отличается от него на зна-
чение текущей погрешности измерительного тракта.
В тех случаях, когда требования к быстродействию итерационных
устройств невысоки или используемый алгоритм коррекции дает доста-
точный запас по быстродействию, можно отказаться от оптимального
выбора z0, задавая начальное приближение в некоторой фиксированной
точке диапазона измерения. В качестве такой точки обычно выбирают
начало или середину диапазона измерения zmax/2. Рассматриваемый способ
задания z0 характерен для итерационных устройств с существенно нели-
нейным измерительным трактом и минимальными аппаратурно-програм-
мными затратами.
Можно отказаться от специального выбора начального приближения,
используя в качестве z0 произвольные значения, случайно формирующие-
ся в узлах устройства (например, в регистрах последовательных прибли-
жений zn цифровых вольтметров). Значение z0 может вырабатываться
и специальным генератором случайных чисел, вводимым в состав устрой-
ства или системы.
В аналоговых измерительных преобразователях значения последова-
тельных приближений хранятся в виде напряжений на накопительных
элементах и в схемах выборки-хранения.
Условия сходимости алгоритмов итерационной коррекции погреш-
ностей. Очевидно, что использование любых алгоритмов итерационной
134
коррекции погрешностей возможно только в том случае, когда соот-
ветствующие им процессы коррекции сходятся к искомому значению
Для обеспечения указанной сходимости шаг алгоритма у(п) должен
удовлетворять определенным ограничениям, которые и представляют
собой условия сходимости алгоритмов коррекции.
Условие сходимости обобщенного алгоритма имеет вид
0< l(n)F' <2.
Достижение условия сходимости (13.6) не встречает каких-либо прин-
ципиальных затруднений, поскольку шаг алгоритмов выбирают относитель-
но свободно.
В табл. 13.1 приведены значения относительной погрешности тракта
аналого-цифрового преобразователя при разных числах п итераций в зада-
че функциональной коррекции погрешностей при <p(Z) =x/Z [2.14].
Таблица! 3.1
Значения относительной погрешности через п итераций
Начальная по- грешность 5ОТН(0).% Текущая погрешность 5QTH (п), %
и = 1 п = 2 и = 3 и=4 и = 5
90 35,80 8,056 0,721 0,014 0,000
80 29,58 5,918 0,437 0,006 0,000
70 23,83 4,172 0,248 0,002 0,000
60 18,57 2,786 0,129 0,000 0,000
50 13,85 1,729 0,059 0,000 0,000
40 9,63 0,964 0,023 0,000 0.000
30 6,05 0,454 0,006 0,000 0,000
20 3,14 0,157 0,001 0,000 0,000
10 1,02 0,025 0,000 0,000 0,000
Для некоторых задач измерений, решаемых с помощью метода итера-
ционной коррекции, существует возможность проведения точных измере-
ний и при неточном ЦАП. Указанная возможность связана в первую оче-
редь с задачами измерений постоянных величин с помощью интегрирую-
щих измерительных трактов [2.14] .
Суть метода состоит в следующем: как следует из постановки задачи,
уравнение (13.5) является несимметричным, так как функция преобра-
зования ЦАП входит только в его левую часть. В результате после завер-
шения итерационной коррекции y(z) в (13.8) также входит только в
левую часть равенства. Это не позволяет исключить погрешности ЦАП,
связанные с <p(z), аналогично тому, как это было сделано cFnpn переходе
от (13.7) к (13.8).
Отсюда следует, что для исключения погрешностей ЦАП из результатов
135
измерений необходимо так видоизменить (13.5), чтобы функция преоб-
разования <p(z) входила в обе части уравнения коррекции.
Выберем умножающий ЦАП с функцией преобразования <p(zxx) =
= О + + Рцап <ацап И Рцап ~~ погрешности“ коэффициент
пропорциональности) и подадим на его аналоговый вход х величину х*.
Измерим выходную величину ЦАП, подавая на его вход z некоторый
опорный код zon. В результате получим F |V(zon, х*Д .
Подав на аналоговый вход ЦАП опорное напряжение хоп, определим
код z, при котором результаты измерения неизвестной х* и опорной х
величин совпадают:
F ^z-*on^ =F ИгОП’х*Л • (13.10)
Из сравнения (13.10) с (13.6) видно, что <p(z, х), а следовательно,
и погрешности ЦАП входят в обе части уравнения коррекции, а поэтому
могут быть скорректированы. Для нахождения кода z = z*, обращающего
(13.10) в равенство, воспользуемся обобщенным алгоритмом итерацион-
ной коррекции погрешностей:
zn + l =zn -У(^(р^(гП’хопЛ -F['P(zon,xJ]^ . (13.11)
Выбором соответствующей у(п) можно получить конкретные алго-
ритмы итерационной погрешности. С ростом числа итераций zn -> z ->
-+ z„, а выражение в фигурных скобках (13.11) стремится к нулю: F[y?(z ,
хопД F №zon’ ' В установившемся режиме получаем равенство,
которое с учетом выражения для <p(z, х) приобретает вид
f[(1+fiuaiXx +0UarJ =Ft<l +аап)* v +0иап1 •
Отсюда следует, что оператор аналого-цифровогр преобразования
F, а также погрешности ЦАП а и р птт исключаются и не входят в окон-
чательныи результат:
z.=zonX»/xon • (13.12)
Из (13.12) следует, что точность преобразователей определяется толь-
Выход устройства
Рис. 13.7. Структурная схема устройства итерационной кор-
рекции с исключением погрешности ЦАП -
136
ко точностью опорного напряжения х . Структурная схема итерацион-
ного измерительного устройства, работающего по алгоритму (13.11),
приведена на рис. 13.7.
Характеристика умножающего ЦАП для простоты выбрана линей-
ной, однако приведенные выкладки справедливы и для более общих функ-
циональных ЦАП. Подробнее с итерационными алгоритмами автоматичес-
кой коррекции погрешностей можно познакомиться в специальной ли-
тературе [2.9] .
§ 13.5. Принцип многоканальное™
При реализации структурных методов повышения точности всегда
можно установить наличие в них двух и более каналов (пространственных
или временных) передачи возмущения в систему [2.10] . Наличие допол-
нительных каналов в СИ для компенсации возмущающих воздействий
позволяет подходить к их синтезу и анализу с позиций теории инвариант-
ности, разработанной применительно к системам автоматического управ-
ления. Основные структурные схемы разомкнутых инвариантных СИ
изображены на рис. 13.8.
В измерительном устройстве (ИУ), по структурной схеме рис. 13.8, а,
измеряемая величина х, и возмущение £ действуют на входы обоих СИ
с коэффициентами передачи кг и к2. Преобразование информации в таком
СИ можно записать следующим образом:
X] = Fi (х*, I) — в СИ с коэффициентом преобразования/:!;
х2 = F2 (х*, - в СИ с коэффициентом преобразования к2;
далее в вычислительном устройстве ВУ: у =F(xit х2) -у(х^).
По схеме рис. 13.8, б измеряемая величина х* действует на одно СИ,
а второе — служит только для передачи возмущения. Уравнение преоб-
разования информации для этой схемы имеют вид
Рис. 13.8. Структурная схема инвариантных ИУ:
а - измерительный сигнал и помеха на входе обоих СИ; б —
измерительный сигнал на входе одного СИ
137
Xi = F^x*, f) — в СИ с коэффициентом преобразования ;
х2 = F2 (£) — в СИ с коэффициентом преобразования к2;
у =F(xi, х2) =у(х*) — на выходе ВУ.
На практике инвариантные СИ, построенные по схеме рис. 13.8, а,
встречаются реже, что обусловлено сложностью обеспечения требуемой
асимметрии каналов кх и к2, необходимой для достижения инвариант-
ности.
Примером устройства, имеющего структурную схему рис. 13.8, б, мо-
жет служить СИ резонансного типа для измерения уровня диэлектрических
сред, описанное в [2.15].
Инвариантные СИ могут иметь также замкнутую структуру урав-
новешивающего принципа действия. С увеличением числа возмущений
увеличивается число избыточных каналов передачи информации. Кроме
того, в общем случае конструирование инвариантных СИ связано с приме-
нением довольно сложных вычислительных устройств ВУ. Инвариантные
СИ с ВУ трансформируются в измерительно-вычислительные устройства.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность метода вспомогательных измерений?
2. В чем сущность тестового метода автоматической коррекции погрешностей?
3. В чем сущность итерационного метода автоматической коррекции погреш-
ностей?
4. Каковы основные метрологические ограничения итерационного метода авто-
матической коррекции погрешностей?
5. В чем сущность принципа многоканальности?
P A 3 Д Е Л 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Г Л АВ А 14. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
§ 14.1. Классификация преобразователей
Существующие преобразователи неэлектрических величин основаны
на различных физических явлениях. Одним из основных классификаци-
онных признаков является физический принцип, заложенный в основу
построения датчиков преобразователей физических величин [1.8, 2.6].
Резистивные датчики. В основу построения их заложено преобразова-
ние измеряемой физической величины в изменение омического сопротив-
ления. При этом измеряемая механическая величина предварительно пре-
образовывается в перемещение (деформацию).
Электромагнитные датчики. К этой группе относятся датчики, исполь-
зующие взаимодействие магнитных потоков, создаваемых протекающим
по контурам электрическим током. Электромагнитные датчики, в свою
очередь, подразделяются на индуктивные, трансформаторные и индук-
ционные.
Пьезоэлектрические датчики. Эти датчики основаны на использовании
пьезоэффекта, при котором осуществляется преобразование динамичес-
кого усилия в электрический заряд. Существуют датчики, использующие
обратный пьезоэффект. Пьезоэлектрические датчики по физическому
принципу действия иногда относят к электростатическим, так как ин-
формационным параметром является электростатический заряд.
Электростатические датчики. Они основаны на взаимодействии двух
заряженных тел. К таким датчикам относят, например, емкостные, поз-
воляющие регистрировать различные механические усилия, уровень жид-
кости, состав веществ и др.
Гальваномагнитные датчики. Эти датчики основаны на гальваномаг-
нитном эффекте, сущность которого заключается в изменении электри-
ческих параметров преобразователей под действием магнитного поля или
появления ЭДС. Такие датчики бывают магниторезистивного типа и осно-
ваны на эффекте Холла.
Электрохимические датчики. К этой группе относятся электрохи-
мические резистивные датчики, гальванические, полярографические, элек-
трокинетические и химотронные преобразователи. Принцип действия
этих датчиков основан на зависимости параметров электролитического
преобразователя от состава и концентрации, температуры и других свойств
раствора, а также зависимость электрической разности потенциалов на
границе раздела твердой и жидкой фаз от скорости перемещения раствора.
Тепловые датчики. Принцип работы этих датчиков основан на исполь-
зовании физических закономерностей, определяемых тепловыми про-
139
цессами. К этим датчикам относятся датчики термомеханического, термо-
резистивного и термоэлектрического типов.
Оптоэлектрические датчики. Основаны на преобразовании оптичес-
ких излучений в электрический сигнал. В зависимости от длин волн и
интенсивности воспринимаемых оптических лучей эти датчики позволяют
регистрировать яркость света, температуру веществ, спектральный состав
оптических излучений, состав веществ и др*.
В зависимости от вида выходного сигнала все датчики подразделяют-
ся на генераторные и параметрические. Генераторные датчики под воздей-
ствием измеряемого физического параметра вырабатывают электричес-
кую энергию. Параметрическими называют датчики, которые под воздей-
ствием измеряемой величины меняют какие-либо электрические пара-
метры. В частности, к этим параметрам относят сопротивление, емкость,
индуктивность, фазовый сдвиг, масштабный коэффициент и др. Для ис-
пользования датчиков параметрического типа требуется дополнительный
источник опорного сигнала.
По разновидности измеряемых физических величин различают также
датчики линейных и угловых перемещений, усилий, крутящих моментов,
давлений и напряжений, параметров движения, температуры, концентрации
веществ, излучения света и др.
Датчики линейных и угловых перемещений в зависимости от диапа-
зона измеряемых величин и требований к конструкциям могут быть по-
строены на основе реостатных, емкостных, индуктивных, тензорезистив-
ных, пьезоэлектрических преобразователей и др. В некоторых случаях
применяются также ионизационные (например, для измерения уровня)
преобразователи, основанные на интерференции света, и др.
Датчики для измерения механических усилий, крутящих моментов,
давлений и напряжений строят на основе тензорезистивных, пьезоэлектри-
ческих, магнитоупругих преобразователей. При использовании промежуточ-
ных механических чувствительных элементов (мембран, сильфонов, ры-
чагов и др.) измеряемые механические параметры предварительно преоб-
разуются в линейное перемещение и для измерения последнего применяют
уже индуктивный, емкостный, фазоэлектрический и другие типы преоб-
разователей.
Датчики параметров движения строят на основе пьезоэлектрических,
индукционных, индуктивных преобразователей совместно с инерционными
(для сейсмических или гироскопических датчиков), мембранными, ротор-
ными (для датчиков расхода) и другими первичными измерительными
преобразователями.
Датчики температур строят на основе термоэлектрических, опто-
электрических, радиационных и других преобразователей.
Датчики химического анализа строят на основе резистивных, емкост-
ных, термоэлектрических, фотоэлектрических и других преобразователей.
Датчики излучения света, как правило, строят на основе фоторезис-
тивных и фотоэлектрических преобразователей.
Далее приводится подробное описание некоторых из указанных выше датчиков.
140
§ 14.2. Резистивные датчики
В резистивных датчиках измеряемый параметр изменяет омическое
сопротивление чувствительного элемента. Преобразователи, сопротивле-
ния которых меняются под воздействием магнитного и светового пото-
ков,, рассматриваются в других книгах [2.5, 2.6] , поэтому здесь уделе-
но внимание датчикам, сопротивление которых изменяется под воздейст-
вием механических величин.
К резистивным преобразователям механических величин относятся
реостатные датчики, тензорезисторы и пьезорезисторы.
Реостатные датчики представляют собой переменное сопротивление
специальной конструкции, движок которого под действием входной вели-
чины х меняет свое положение. В общем виде функция преобразования
таких датчиков может быть представлена в виде
R = f(x),
где R — выходное омическое сопротивление; х — угловое или линейное
перемещение движка.
Такие датчики изготавливаются из манганина, константана или воль-
фрама в виде изолированной проволоки, намотанной на каркас. Их со-
противление изменяется в пределах от 10 до 1000 Ом. Основными требо-
ваниями, предъявляемыми к материалам датчиков, являются минималь-
ный температурный коэффициент сопротивления и устойчивость к меха-
ническому износу. Движок реостата должен обеспечить хороший элек-
трический контакт под действием минимального усилия, поэтому он изго-
тавливается из сплава платины с иридием или бериллием.
Характер функции преобразования датчика выбирают путем измене-
ния длины каждого витка (за счет формы каркаса) или путем изменения
Рис. 14.1. Реостатный датчик
141
шага между витками. В первом случае шаг дискретности получается рав-
номерный в зависимости от входной величины и неравномерный в зави-
симости от выходной величины, а во втором случае — наоборот.
На рис. 14.1, а изображен реостатный датчик с неравномерным профилем,
а на рис. 14.1, б — зависимость выходных сопротивлений Rt и R2 от пере-
мещения х. Для простоты конструкций форма каркаса бывает ступенча-
той (рис. 14.1, в) или отдельные участки преобразования шунтируются
сопротивлениями (рис. 14.1, г). Выбором значений шунтирующих сопро-
тивлений можно менять функцию преобразования датчика в широких
пределах.
Реостатные преобразователи применяются для восприятия тех меха-
нических перемещений, где прилагаемое усилие превышает 10~2 Н, а само
перемещение — значение 2 — 3 мм. При питании таких датчиков перемен-
ным током частота не должна превышать 5 Гц.
Для измерения механических напряжений широко используются тен-
зорезистивные датчики. Они изготавливаются из проволоки, фольги и
полупроводниковых пластинок. Их принцип действия основан на измене-
нии электрического сопротивления под действием механической дефор-
мации.
В качестве примера рассмотрим конструкцию проволочного тензо-
резисгивного преобразователя, приведенного на рис. 14.2. Он состоит
из базы 2, на которую наклеена проволока 3 диаметром 0,02 — 0,03 мм
зигзагообразной формы (ширина наклеиваемой проволоки а, длина Lo).
К концам проволоки приварены выводные провода 1. Сверху провода на-
несен слой лака 4. Датчик наклеен на исследуемую поверхность 5 и вместе
с ней деформируется, преобразуя механическое напряжение в изменение
омическог о сопротивления.
Для преобразования приращения сопротивления могут быть использо-
ваны как мостовые схемы, так и схемы с делителями напряжения. На
Рис. 14.2. Тензорезисторы:
1 — выводы; 2 - база; 3 - проволока; 4 —
слой лака; 5 - исследуемая поверхность
Рис. 14.3. Применение гензо-
резисгоровдля измерения ме-
ханических напряжений:
I - тензорезисторы; 2 -
исследуемая поверхность
142
I
I
\
рйс. 14.3 приведена схема преобразования динамической деформации
2,1 представляющей сумму статической нагрузки Q_ и динамической Q~,
т. 4- С_+ в электрическое напряжение (U) с помощью тензорезистора 1.
\ Тензорезистивные датчики характеризуются коэффициентом тензо-
чувствительности:
К = (kR/R^l/l) ,
где — относительное изменение сопротивления датчика; Д/// -
относительная деформация проволоки.
Для различных материалов значение К колеблется в пределах 0,5 —
4,0, 1а полупроводниковые тензодатчики имеют коэффициент тензочув-
ствительности в пределах 50 — 200. Однако последние обладают значи-
тельной чувствительностью к изменениям температуры, поэтому в основ-
ном используются для измерения весьма малых деформаций, где приме-
нение проволочных тензодатчиков- невозможно ввиду низкой чувстви-
тельности.
Измерив относительную деформацию поверхности конструкции и
зная значение модуля упругости Е для данного материала, по формуле
о = ЕЕ1/1 определяют механическое напряжение. Таким образом, измене-
ние сопротивления датчика
ER/R = Ko/E.
Одной из разновидностей резисторных датчиков являются пьезоре-
зистивные преобразователи сил, давлений и деформаций. Они отличаются
высокой чувствительностью при достаточно простой конструкции. Прин-
цип действия этих датчиков (рис. 14.4) состоит в следующем. Чувствитель-
ный элемент 1 под воздействием (осуществляется через металлические
обкладки 2) механической силы меняет сопротивление между провода-
ми 3. Чувствительный элемент пьезорезисторных преобразователей выпол-
няют из различных металлических и неметаллических полупроводниковых
материалов.
Сопротивление пьезорезисторов, имеющее значение 10 — 10® Ом,
может меняться под воздействием измеряемого механического Напря-
жения в широких пределах, что позволяет непосредственно подключить
на их выход вторичный измерительный прибор. Геометрические размеры
пьезорезистивных датчиков не превышают 5 мм по высоте и 10 см2 по
площади.
Рис. 14.4. Пьезорезистивный дат-
чик:
1 - чувствительный элемент;
2 - металлические обкладки;
3 - выводы
143
§ 14.3. Электромагнитные датчики
Электромагнитные преобразователи (датчики) широко применяются
для измерения различных физических величин [1.8] . Разновидностью
этих датчиков являются индуктивные преобразователи, основанные/ на
принципе изменения индуктивности электромагнитной катушки в зави-
симости от сопротивлений магнитной цепи. На рис. 14.5, а изображена
схема однообмоточного датчика линейных перемещений. При перемещении
подвижного сердечника 3 относительно неподвижного 2 изменяется/воз-
душный зазор 6. Изменение воздушного зазора приводит к изменению
магнитного сопротивления цепи и, следовательно, индуктивной составляю-
щей сопротивления обмотки 1. Между индуктивным сопротивлением
обмотки и длиной воздушного зазора существует функциональная зави-
симость: coL = /(8).
На рис. 14.5, б изображена схема аналогичного преобразователя, где
в отличие от предыдущей входной величиной датчика является угловое
перемещение <р.
Для практических применений наиболее удобны трансформаторные
датчики, выходной параметр которых — ЭДС.
На рис. 14.6, а иллюстрирован датчик одноэлементного типа, а на
рис. 14.6, б представлен дифференциальный трансформаторный датчик
перемещений. При отсутствии перемещения сердечника 1 в обмотках
2 трансформатора индуцируются одинаковые ЭДС, сумма которых ввиду
их встречного соединения равна нулю. При появлении перемещения в
одной половине магнитной цепи за счет уменьшения воздушного зазора
возрастает магнитный поток, увеличивается наводимая ЭДС во вторич-
ной обмотке. Аналогично уменьшается ЭДС во второй половине датчика
ввиду увеличения воздушного зазора. Возникающая результирующая
(суммарная) ЭДС пропорциональна значению перемещения.
Среди датчиков индуктивного типа особое место занимают магнито-
упругие (рис. 14.7), принцип действия которых основан на изменении
Рис. 14.5. Индуктивный датчик;
а - индуктивный датчик линейных псременений; б - индуктив-
ный датчик угловых перемещений
144
I
I
Рис. 14.6. Трансформаторный индуктивный датчик:
а — одноэлементный датчик; б - дифференциальный датчик (7 -
сердечник; 2 - вторичные обмотки)
магнитной проницаемости сердечника 1 под действием механической
силы Q.
Магнитоупругий датчик представляет собой магнитопровод 1 прямо-
угольной формы с четырьмя симметрично расположенными отверстия-
ми, в которых размещены две обмотки 2 и 3, причем плоскости этих
обмоток взаимно перпендикулярны. Обмотка 3 питается током пере-
менного напряжения, а обмотка 2 является измерительной. При полной
симметрии магнитопровода и изотропности материала индуктивная связь
между обмотками отсутствует, так как магнитный поток обмотки 3 не
пересекает вторичную. Следовательно, ЭДС обмотки 2 при отсутствии
механических напряжений в материале магнитопровода равна нулю.
При воздействии на магнитопровод механического усилия Q наруша-
ется изотропность материала вследствие изменения магнитных свойств
последнего под действием упругих напряжений и, как следствие этого,
изменяется напряжение магнитного потока
потока обмотки 3 пересекает витки об-
мотки 2, в результате чего в последней
наводится ЭДС, возрастающая с увели-
чением действующего на магнитопровод
усилия.
Несмотря на невысокую точность (по-
грешность 1 — 4 %), магнитоупругие дат-
чики ввиду простоты конструкции, высокой
надежности и возможности измерения весь-
ма больших сил (10s — 106 Н) широко
применяются в измерительной технике.
обмотки 3. При этом часть
-Нйх
о
О
Рис. 14.7. Магнитоупругий ин-
дуктивный датчик:
1 - магитопровод; 2, 3
обмотки
~Чвых
—О
145
§ 14.4. Пьезоэлектрические датчики /
Некоторые диэлектрики при воздействии на них механического уси-
лия подвергаются электрической поляризации, что представляет собой
явление прямого пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект характеризует-
ся тем, что диэлектрический материал под воздействием электрического
поля подвергается механической деформации. При этом пьезоэфтект
обладает знакочувствительностью, т. е. при изменении направления меха-
нического напряжения изменяется полярность электрических зарядов
и при изменении полярности электрического поля меняется направление
механической деформации диэлектрика. К материалам, обладающим
пьезоэффектом, можно отнести кварц, сегнетовую соль и другие кристал-
лические вещества, а также искусственные керамики: титанат барцй, ти-
танат свинца, цирконат свинца и др.
Электрический заряд, возникающий на гранях пьезоэлектрической
конструкции, определяется формулой
q = dQ,
где d — пьезоэлектрический модуль.
При этом различают продольный (рис. 14.8, а) и поперечный (рис.
14.8, б) пьезоэффекты. Для увеличения заряда в пьезодатчике 1 кристал-
лические шайбы собирают в столбик и электрически их соединяют парал-
лельно. В соответствии с рис. 14.8 общая емкость с измерительной цепи,
образованная емкостями кристалла, кабеля и входной емкостью усили-
теля, заряжается до напряжения и.
Следует отметить, что мощность, развиваема^ пьезоэлементом, чрез-
вычайно мала, ввиду этого измерительная цепь датчика тщательно экра-
нируется от помех и наводок. При измерении статических сил возникаю-
щий электрический заряд утекает через сопротивление измерительной
цепи, следовательно, исключается возможность их регистрации. Поэтому
практически пьезоэлектрические датчики применяются для регистрации
лишь динамических сил. Частотный диапазон измерений составляет 10-5 —
10s Гц.
Рис. 14.8. Пьезоэлектрический датчик:
а — продольный пьезоэффект; б — поперечный пьезоэф-
фект (Q — усилие; 1 — пьезокристалл)
146
В измерительной цепи пьезодатчиков обычно используется усилитель
с ,выходным сопротивлением R > 1013 Ом с малой входной емкостью.
\ Дифференцирующий характер пьезоэлектрических преобразователей
позволяет на их базе построить датчики виброускорений — акселерометры.
I § 14.5. Тепловые датчики
'Принцип действия тепловых датчиков основан на использовании теп-
ловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена). На этом принципе
строятся датчики для измерения не только температуры, но и других
физических параметров, таких, как тепловой поток, скорость потока
газов и жидкости, расход, химический состав, давление газов, влажность,
уровень и др. [2.17] .
Для измерения температуры последняя преобразуется в промежуточ-
ную величину, например в ЭДС, электрическое сопротивление и другие
величины. Отметим, что для регистрации весьма больших температур
используется оптический метод.
Из всех существующих методов измерения температуры наиболее
широко применяются термоэлектрические.
Термоэлектрическое явление заключается в том, что при соединении
двух проводов А и В (рис. 14.9) из разных материалов (термопара) и
создании разности температур между точкой соединения Ту и точками
свободных концов То возникает ЭДС, пропорциональная разности функ-
ций температур:
7oW(7’i) ~/(Г0) -
Значение термоЭДС зависит от материалов термо-
пары и колеблется в пределах от долей до сотен мил-
ливольт на 100 °C- Характеристика термоэлектричес-
ких преобразователей, как правило, нелинейная и
в значительной степени зависит от наличия примесей,
механической и термической обработки материалов
термопары.
Каждая термопара снабжается градуировочной ха-
рактеристикой. Градуировка термопар осуществляется
при температуре свободных концов, равной нулю;
при температуре, отличной от нуля, возникает допол-
нительная погрешность. При градуировке термопар
для исключения погрешности от непостоянства внут-
реннего сопротивления прибора (мВ) последний гра-
дуируется совместно сдатчиком.
Наряду с термоэлектрическими датчиками тем-
ператур применяются терморезистивные датчики, име-
нуемые термометрами сопротивления. В СССР тер-
морсзистивные датчики выпускаются в соответствии
с ГОСТ 665178 и имеют две основные разновидности:
Гы. 14 п ( чем
। ермоэлек i рпчес-
кого преобразова-
теля :
А и В - провода;
Ту точка горя-
чего спая: Т„
точка холодного
спая
147
термосопротивления с платиновым (ТСП) и медным (ТСМ) чувствитель-
ными элементами. /
По конструкции чувствительных элементов терморезистивные дат-
чики температуры разнообразны. Современные платиновые терморезис-
тивные датчики температуры имеют вид спирали, помещенной в канав-
ках двух- или четырехканального керамического каркаса и уплотненной
порошкообразной окисью алюминия. Такая конструкция позволяет/ис-
пользовать преобразователь как в защитной арматуре, так и без нее. /
Медный терморезистивный чувствительный элемент представляет
собой бескорпусную обмотку из медной изолированной проволоки, по-
крытую сверху фторопластовой пленкой. Для обеспечения необходи-
мой прочности обмотку помещают в тонкостенную металлическую гиль-
зу, которую засыпают керамическим порошком и герметизируют.
В табл. 14.1 приведены основные характеристики промышленных
термометров сопротивления.
Термометры сопротивления имеют несколько классов точности
(табл. 14.2).
Таблица! 4.1
Основные характеристики промышленных термометров сопротивления
Тип термометра 11оминальное сопротивление при 0 °C, Ом Обозначение градуиро- вочной характеристики Диапазон температур, °C
1 Ш - 50 ... + 1100
5 5П - 100.. .. + 1100
ТСП 10 10П - 200.. . + 1000
(46) (гр. 21) - 260 -. . + 1000
50 50П — 260.. . + 1000
100 юоп - 260.. . + 1000
500 5 ООП - 260. .. + 300
10 ЮМ -50.. . + 200
ТСМ 50 50М - 50.. .+200
(53) (гр. 23) - 50.. . + 180
100 100М - 200. .. + 200
Таблица! 4.2
Классы точности промышленных термометров сопротивления
Тип термометра
Класс точности
Погрешность ДЛ/7?О, %
ТСП
I
II
+ 0,05
+ 0,1
148
Продолжение табл. 14.2
Тип термометра Класс точности Погрешность %
ТСП III ±0,2
IV ±0,4
V ±0,8
1 —
11 ±0,1
ТСМ III ±0,2
IV ±0,5
V ±1,0
Здесь были приведены основные типы преобразователей, широко
используемые в настоящее время на практике. С остальными типами пре-
образователей можно ознакомиться по литературе [1.8] .
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные типы датчиков неэлектрических величин.
2. Иа чем основан принцип действия электромагнитных датчиков?
3. На чем основан принцип действия пьезоэлектрических датчиков?
4. Каковы разновидности тепловых датчиков и принцип их действия?
Г Л А В А 15. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
§ 15.1. Измерительные цепи генераторных преобразователей
В простейшем случае измерительная цепь с генераторным преобразова-
телем может быть представлена эквивалентной схемой, показанной на
рис. 15.1. Из схемы видно, что контур преобразователя 1 представляется
эквивалентным источником ЭДС Е(х), значение которой зависит от зна-
чений измеряемого параметра х и внутреннего сопротивления г. источника.
Эти две величины характеризуют мощность,
расходуемую на внутреннее сопротивление
источника ЭДС в режиме короткого замы-
кания Рк = Е2/г. Мощность Р , отдаваемая
генераторным преобразователем 2, отлича-
ется от мощности Рк:
Рис. 15.1. Эквивалентная схе-
ма генераторного преобразо-
вателя :
1 — преобразователь; 2 —
нагрузка
Р =аР ,
н к ’
где а — эффективность преобразования, за-
висящая только от соотношения сопротив-
лений z. и z .
149
проводов; к
ливольтметра)
Положим, что контуры преобразователя и нагрузки имеют чисто актив-
ные сопротивленияR.hR ,тогда
л Г"2 Г2
Р = I2 R =------£----А = 5---- =Р ,
Я Н (/?. + /?) 2 Н R. (R. + К )2 К
v / И I V I н
где a=RJ<H/(R. + Rn)~. Обозначив a =RH/Ri} имеем а=д/(1 +а)2.
Однако в генераторных преобразователях для уменьшения тех или
иных составляющих погрешностей измерительной аппаратуры поступают-
ся условием согласования. Например, для термоэлектрического термомет-
ра условием согласования является
R +R =R ,
ТП П II ’
где А — сопротивление термопары; Rn — сопротивление соединительных
— сопротивление нагрузки (измерительного прибора-мил-
При изменении значений сопротивлений соединительных проводов
от влияния температуры окружающей среды и сопротивления 7?тп при
его длительной эксплуатации указанное выше условие может нарушиться
и термометр будет иметь большую погрешность. Для уменьшения этой
погрешности необходимо выполнение условия /?н > А + R^. При ис-
пользовании гальванических преобразователей к измерительным цепям
предъявляется требование по обеспечению условия R > 1000 R.. Обеспе-
чение этого условия позволяет уменьшить до пренебрежимо малого зна-
чения погрешности, вызываемые изменением результирующей ЭДС вслед-
ствие поляризации электродов при прохождении через электролит отно-
сительно больших токов (больше 1 мкА).
Как известно, пьезоэлектрические и индукционные преобразователи
имеют реактивные внутренние сопротивления, что приводит к зависимос-
ти их выходных сигналов от частоты изменения входной величины. При
этом в области низких частот увеличиваются частотные погрешности пьезо-
электрических преобразователей, а в области высоких частот — индукци-
онных преобразователей. Для уменьшения частотных погрешностей в том
и другом случае необходимо выполнить условие Rfj > I z\ .
§ 15.2. Измерительные цепи параметрических преобразователей
Параметрические преобразователи строятся с использованием изме-
рительных цепей последовательного включения (рис. 15.2). Они также
реализуются в виде делителей (рис. 15.3, а) и в виде неравновесных мос-
тов (рис. 15.3, 6), где Е — напряжение на выходе параметрического пре-
образователя.
Условием согласования сопротивлений Ro и А для цепи последова-
тельного включения (рис. 15.2) являются Ан = Ro. Следует отметить,
что условия согласования для параметрических преобразователей должны
выполняться строже, чем для генераторных.
В измерительных цепях с последовательным включением и в виде
делителей зависимость между выходным напряжением и относительным
150
Рис. 15.2. Измерительная цепь
параметрического преобра-
зователя последовательного
типа (Е — напряжение)
Рис. 15.3. Измерительные цепи параметрических
преобразователей:
а — цепь с делителем; б — неравновесная цепь
изменением сопротивления имеет нелинейный вид. Поэтому линейность
этой зависимости обеспечивается за счет отступления от согласованного
значения нагрузки.
Общим недостатком этих измерительных цепей является наличие
выходного сигнала (wBbIX 0) при отсутствии входного (х =0).
В неравновесных мостах (рис. 15.3, б) этот недостаток устранен.
Кроме того, измерительные цепи на основе неравновесных мостов имеют
больше возможностей. Так, параметрические преобразователи могут быть
включены в одно, два или во все четыре плеча моста. Например, при вклю-
чении параметрических преобразователей во все четыре плеча (равнопле-
чий мост) чувствительность моста по напряжению будет наибольшей.
Значения выходных величин большинства преобразователей — тер-
мосопротивлений, ионизационных преобразователей, газоанализатора и
др. — находятся обычно в диапазоне 10-6 — 10~2 В и 1О-10 — 10-5 А.
Без предварительного усиления столь малые напряжения и токи невоз-
можно измерить показывающими измерительными приборами. В связи
с развитием операционных интегральных усилителей для параметричес-
ких преобразователей начали широко применяться мостовые цепи с ав-
томатическим уравновешиванием.
На рис. 15.4 приведена схема моста со статическим следящим урав-
новешиванием.
Допустим, осуществляется изме-
рение температуры О и при в =
= 0 сопротивления медного тер-
морезистора = R3 + R4 и R2 -
= R4, тогда напряжение на диаго-
нали паб> подаваемое на вход уси-
лителя А, также равно нулю и ток
/р указателя У будет равен нулю.
Допустим, возрастают О и сопро-
тивление Ry, тогда на выходе уси-
лителя будет протекать такой ток
I , что падение напряжения цдб
Рис. 15.4. Схема моста со статическим
уравновешиванием
151
на резисторе R уравновешивает прирост напряжения на терморезисторе
R1. В этом случае мост будет уравновешен и шкала прибора будет линей-
ной относительно приращения Д7?1.
Измерительные цепи уравновешивающего преобразования с компен-
сацией выходных напряжений измерительных преобразователей неэлектри-
ческих величин применяются в основном для измерения механических
усилий, крутящих моментов, магнитных величин и др.
I
§ 15.3. Измерительные цепи с унифицированными выходными
сигналами
Измерительные преобразователи с унифицированными выходными
сигналами (ИПУС) осуществляют связь между датчиками и последующи-
ми устройствами измерительных систем. Основным назначением ИПУС
является приведение аналоговых измерительных сигналов к диапазону
стандартных значений, установленных ГОСТ 9895—78 и 26013—81. Наибо-
лее широкое распространение получили ИПУС сигналов постоянного тока
и напряжения. К таким сигналам, например, относятся выходные сигналы
термопар, мостовых измерительных схем постоянного тока, потенцио-
метрических датчиков, комбинированных шунтов и др.
Выходной ток таких ИПУС не должен зависеть от сопротивления
нагрузки, и, следовательно, их выходное сопротивление должно быть
высоким. Другая особенность таких ИПУС связана* с диапазоном изме-
нения выходного тока Z и сопротивления нагрузки RH- Наиболее рас-
пространенными являются диапазоны I * = 0^5 мА и RH =0 -^2,5 кОм.
Типичная задача, решаемая ИПУС, заключается в следующем. Пусть
сигнал от датчика изменяется от xmin до *тах, а система измерения рас-
считана на работу с унифицированным сигналом, изменяющимся в диа-
пазоне [0, хн] , причем хн > хтах - Лт,п- При этом для совмещения на-
чала диапазона измерительной схемы и датчика ИПУС должно иметь место
соотношение:
х
Увых =(х х-----------V- >
вых min ^max-xmin
где Твых — выходной сигнал ИПУС;
усиления ИПУС; х — выходной сигнал датчика."
Усиление сигналов от измерительных цепей с датчиками выполняет-
ся с помощью усилителей постоянного или переменного тока.
На практике часто встречается случай, когда xmin =£ 0. На рис. 15.5
приведена схема компенсации температуры холодного спая различных
типов термопар хромель—копель (X — К), хромель —алгомель (X — А),
платинородий—платина (П — П), построенная по схеме неуравновешен-
ного моста.
Для компенсации температуры холодного спая используется термо-
зависимое сопротивление 7?т, включаемое в одно из плеч неуравновешен-
ного моста. Для уменьшения влияния соединительных линий и внешних
наводок в ИПУС для термометров сопротивления используется трехпро-
152
*н
*max - *min ~ коэффициент
Рис. 15.5. Схема компенсации тем-
пературы
Рис. 15.6. Схема компенсации тем-
пературы холодного спая с трехфаз-
ной линией соединения
водная линия соединения (рис. 15.6). На рисунке приведена схема соеди-
нения термометра сопротивления Атс с остальной измерительной цепью.
Мост уравновешивается перед измерением с помощью сопротивления
R. Изменением напряжения питания ИПУС можно осуществить масшта-
бирование выходного сигнала параметрического датчика. При импульс-
ном питании удается поднять уровень сигнала на выходе датчиков.
Измерительный ПУС обеспечивает линеаризацию нелинейных харак-
теристик преобразователей.
ИПУС строят на базе операционных усилителей с нелинейной обрат-
ной связью. Нелинейную обратную связь чаще всего строят с помощью
функциональных преобразователей с использованием резистивных дели-
телей с шунтирующими диодами.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы особенности измерительных цепей генераторных преобразователей?
2. Каковы особенности измерительных цепей параметрических преобразователей?
3. Каковы особенности цепей с унифицированными выходными сигналами?
Г Л А В А 16. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
§ 16.1. Измерение линейных и угловых размеров
Измерение линейных размеров. Линейные измерения охватывают
широкий диапазон и подразделяются на три поддиапазона:
от долей микрометра до нескольких метров (в основном исполь-
зуются в машиностроении для измерения шероховатости поверхностей
и при измерении габаритов изделий);
от 100 мм до 100 м; эти размеры обычно имеют место при измерении
запасов горючего в баках самолетов, автомобилей, в хранилищах, разных
уровней верхнего и нижнего бьефов гидростанции и др.;
от нескольких десятков и сотен метров до тысяч километров; исполь-
зуются при геодезических и астрономических измерениях.
При измерении шероховатостей поверхности обычно применяются
индуктивный и емкостный преобразователи. Наибольшее распространение
153
получили индуктивные преобразователи, реагирующие на превышение
допустимого порога шероховатости, порог их срабатывания составляет ]
0,1 мкм.
При измерении толщины изделий (лист стали) либо толщины покры-
тий могут быть использованы различные датчики. Однако здесь следует
учесть, что доступ к объекту измерения, как правило, только с одной
стороны, поэтому требуется выбор приемлемого метода. Такая задача
возникает при измерении толщины труб, уложенных в землю либо рас-
положенных на поверхности. ?
Измерение уровня может быть осуществлено с помощью поплавко- j
вых, буйковых, емкостных, пьезометрических, резонансных, радиоак- I
тивных и других типов датчиков [2.10]. 1
При изменении уровня жидкости поплавок перемещается вверх и
вниз, приводится в движение пружинный двигатель, угол поворота кото-
рого пропорционален измеряемому уровню.
Более совершенное устройство для измерений уровня — уровнемер
с буйком. ;
Большую точность обеспечивают емкостные уровнемеры, которые
представляют собой два электрода, расположенные один внутри другого.
Для этого уровнемера емкость между обкладками конденсатора опреде-
ляется соотношением
С= °’24 х/
TgZ>2/Z?i ’
где Л - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конден-
сатора; I — высота электродов; Dy — наружный диаметр внутреннего й
электрода; D2 — внутренний диаметр внешнего электрода.
В зависимости от уровня жидкости изменяется интегральная диэлек-
трическая проницаемость среды и соответственно емкость конденсатора.
Таким образом, значение уровня h = кс, где к — некоторый постоянный
коэффициент. Емкостные преобразователи для измерения больших уров-
ней выполняются в виде дискретных элементов, т. е. каждый преобразо- |
ватель обслуживает часть высоты резервуара. |
Пьезометрические уровнемеры основаны на измерении давления стол- i
ба жидкости при постоянном значении ее плотности.
Резонансные уровнемеры обычно имеют двухканальную структуру
(как было описано в гл. 13). В указанном измерителе используется два
канала преобразования. На вход первого канала подается измеряемый
х и неинформативный параметр, а на вход второго канала — только
неинформативный.
Применение принципа инвариантности (многоканальности) в про-
мышленных уровнемерах позволило уменьшить погрешность с 2,5 % при
одноканальном устройстве до 0,2 % при двухканальной системе измерения
уровня.
Для измерения больших расстояний, например пройденного пути I
движущимся объектом, находят применение методы подсчета числа обо- I
ротов какого-либо элемента, сцепляющегося с полотном дороги. Для
154
измерения пути, пройденного автомобилем, суммируется число оборотов
колеса за пройденное время. Для корабля таким элементом является
крыльчатка лага, число оборотов которого суммируется за определенное
время.
В современных системах преобразователь, воспринимающий скорость
вращения колеса или крыльчатки, преобразует ее в частоту электрических
импульсов. Пройденный путь определяется как интеграл от скорости
по времени путем подсчета полного числа электрических импульсов за
время пути.
При измерении очень больших расстояний применяются методы радио-
локации, при которых в сторону объекта посылаются электромагнитные
колебания, т. е. передается радиоимпульс длительностью до 1 мкс. Отра-
женные от объекта колебания улавливаются приемником. Тогда, измерив
время между моментом излучения импульса и моментом восприятия
отраженного импульса приемником при известной скорости распростра-
нения электромагнитных колебаний (300 000 км/с), находят расстояние.
Например, при расстоянии, равном 30 км, время будет равно 200 мкс,
поэтому наблюдение таких малых расстояний обычно производится на
экране электронно-лучевой трубки.
Для небольших расстояний применяются методы звуко- и светолока-
ции. Например, использование акустической локации при измерении глу-
бин моря. Скорость распространения звука в жидкости равна 1,5 км/с,
т. е. в 200 000 раз меньше, чем в воздухе, и поэтому здесь возможны изме-
рения малых расстояний — нескольких десятков километров. Этот же
метод используется для определения трещин в теле металла. Известные
устройства в геодезии используют светолокацию.
Измерение угловых перемещений. Угловые измерения, как правило,
ограничены углами менее 360° и применяются в настоящее время при
технических измерениях (кроме метрологических), имеют погрешность
0,5 — 1 угл. мин. При этом наиболее распространенным типом измерителя
является реостатный преобразователь, порог чувствительности которого
достигает 10 угл. мин. При наиболее точных измерениях применяются кодо-
вые диски, при этом погрешность достигает 1—30 угл. с.
На рис. 16.1 показана схема преобразователя малых угловых переме-
щений ферромагнитного типа, выпускаемого промышленностью. Преоб-
разователь состоит из магнитопровода 3 прямоугольной формы и магнито-
провода 4 цилиндрической формы (ротор). На оси цилиндрического маг-
нитопровода укреплена подвижная рамка 2 с катушкой. Выводы рамки
через безмоментные подводы выводятся наружу. На плунжер 6 магнито-
провода насажена обмотка возбуждения 1, имеющая башмак 5.
При подаче напряжения на обмотку 1 создается поток 7, пересекающий
цилиндр магнитопровода. В зависимости от положения рамки 2 в катушке
последней наводится ЭДС, пропорциональная углу поворота
Е = к и (1 — 2 </>/</> ) ,
вых пит v ’
где к — коэффициент, характеризующий конструктивные и другие пара-
Рис. 16.1. Преобразователь угловых переме-
щений ферродинамического типа:
1 — обмотка; 2 - рамка; 3, 4 ~ магнитопро-
воды; 5 - полюсный наконечник; 6 - плун-
жер; 7 — магнитный поток
Рис. 16.2. Преобразователь угловых переме-
щений трансформаторного типа:
1 - ротор; 2 - статор; 3 - обмотка возбуж-
дения; 4 - измерительная обмотка
метры преобразователя; — максимальный угол поворота преобразо-
вателя.
Регулируя зазор h плунжера, можно менять чувствительность преоб-
разователя. Напряжение выхода при ф -<Рт достигает двух вольт.
Другой вариант датчика угловых перемещений трансформаторного
типа (рис. 16.2) имеет стальной ротор 1 и статор 2, выполненные из кон-
струкционной стали; на статоре расположены плоская диаметральная об-
мотка возбуждения 3 и плоская хордовая измерительная обмотка 4, при-
чем измерительная обмотка 4 охватывает четвертую часть внутренней по-
верхности статора 2.
Для уменьшения расхода материала на изготовление ротора, уменьше-
ния потерь на вихревые токи, выравнивания распределения индукции в
зазоре, т. е. для повышения точности преобразования угла ф поворота
в пропорциональное напряжение, ротор 1 датчика выполняют двухполюс-
ным и собирают из отдельных изолированных пластин специальной формы.
Рабочий диапазон поворота ротора датчика лежит в пределах угловых
отклонений — я/4 < ф < тт/4. Работает датчик следующим образом: практи-
чески весь магнитный поток, обусловленный переменным током в обмот-
ке возбуждения 3, замыкается через воздушный зазор между ротором
1 и статором 2. При повороте ротора в пределах — тг/4 < ф < я/4 потоко-
сцепление обмотки возбуждения не меняется, а потокосцепление обмот-
ки 4 с учетом равномерного распределения индукции в воздушном зазоре
пропорционально углу поворота ф. Выходное напряжение датчика меняется
практически линейно от максимума (при ф = — тг/4) до минимума (при
Ф=7т/4) .
156
Другим преобразователем угловых перемещений является сельсин,
работающий в режиме фазовращателя. При измерении малых угловых
перемещений большое распространение получила схема ’’угол—фаза-
время”.
Сельсин в режиме фазовращателя имеет фазу выходного напряжения
tp=kA, где к — коэффициент преобразования, А — угловой параметр.
Угол является сдвигом фаз между выходным напряжением преоб-
разователя и некоторым опорным напряжением. Тогда связь между дли-
тельностью t и фазой имеет вид
(р=<оГи=2яЛи
или
tK = ip/(2nf) =kAI(2irf)=klA ,
грр f — частота.
§ 16.2. Измерение параметров движения
Основными параметрами движения являются перемещение, скорость,
ускорение. Все приборы, измеряющие параметры движения, подразделя-
ют на две группы. К первой группе относятся приборы, основанные на
методе контакта движущегося объекта с неподвижной системой как сис-
темой отсчета. Входной величиной этих приборов является перемещение.
Приборы этой группы называются контактными. Они измеряют параметры
относительного движения.
Ко второй группе относятся приборы, в которых нет контакта под-
вижного объекта с неподвижной системой. Здесь используется инерцион-
ность и принцип их действия основан на интегрировании основного урав-
нения механики. Входной величиной в этих приборах является сила инер-
ции, поэтому приборы этой группы называют инерционными. В этих при-
борах сила инерции воспринимается корпусом датчика, с которым связа-
на собственная (подвижная) система отсчета. Приборы этой группы, учи-
тывая дифференциальную связь между параметрами, строятся для изме-
рения параметров, которые наиболее просты для измерения, затем интег-
рированием и дифференцированием определяется необходимый параметр.
Приборы, измеряющие параметры линейного движения, называются
сейсмическими, а углового движения — гироскопическими.
Приборы, служащие для измерения виброперемещений, называются
виброметрами, а для измерения ускорений - акселерометрами.
Одним из наиболее распространенных приборов, ^преобразующих
параметры движения, является расходомер веществ.
Расходомеры жидкостей и газов. Классификация расходомеров при-
ведена на рис, 16.3. В расходомерах переменного перепада давлений (ППД)
используются сужающие устройства (диафрагмы), встраиваемые в трубо-
провод, расход в которых необходимо измерить. В таком преобразователе
возникает перепад давления, зависящий от измеряемого расхода. Объем-
157
Рис. 16.3. Классификация методов
измерения расхода
ный расход (количество жидкос-
ти, протекающее через данное се-
чение в единицу времени) опре-
деляется зависимостью
Qv =aS=y/2kp/p ,
где а — коэффициент расхода;
5 — сечение в сужающем устрой-
стве; р — плотность жидкости;
Др — перепад давления на сужаю-
щем устройстве. Если измеряется
массовый расход Q , то связь
имеет вид
=а5'\/'2рДр.
Измерители, основанные на
ППД, имеют квадратичную зави-
симость (ввиду чего диапазон изме-
нения мал) и поэтому многие при-
боры, измеряющие расход, требу-
ют устройств извлечения квадрата.
Основными преимуществами
метода ППД являются — возмож-
ность измерения расхода жидкос-
ти, газа и пара при высоких и
низких температурах, низких дав-
лениях, возможность удаления из-
мерителя на большое расстояние
и создание дистанционной системы
передачи показаний.
К недостаткам относятся квад-
ратичная зависимость выходного
параметра от расхода, необходи-
мость постоянства плотности ве-
щества, трудности измерения при
изменяющемся расходе, связанные
с большим временем установления
давлений в камере.
Для жидкостей достигнутая по-
грешность приборов с ППД ме-
нее 2 %, для газов — менее 3 %.
Более 60 — 70 % расходомеров,
используемых в промышленности,
построены на основе применения
ППД.
Расходомеры переменного
уровня применяются при измерении расхода жидкости, вытекающей из
трубопровода в емкость. Основным преобразователем при методе пе-
ременного уровня является сосуд, на дне которого или в боковой стенке
вблизи дна имеется отверстие. Сосуд наполняется жидкостью и при уста-
новившемся режиме уровень в сосуде оказывается пропорциональным
измеряемому расходу. В зависимости от расхода жидкости устанавли-
вается разный уровень жидкости в сосуде, давление в котором Др =pgh.
Тогда объемный расход примет вид
Qv =aS\/%h.
С помощью этого преобразователя может быть измерен лишь расход
жидкости и при этом показания прибора, как видно из приведенного
выражения, от плотности не зависят. Прибор используется для измерения
расхода различных неоднородных жидкостей. В качестве вторичного уст-
ройства могут быть использованы приборы, реализующие любые методы
измерения уровня, рассмотренные выше. Их преимущества — возможность
измерения расхода агрессивных жидкостей, а также жидкостей, содержа-
щих взвеси и смешанных с газами. Принцип действия расходомеров об-
текания основан на зависимости перемещения тела от расхода вещества,
помещенного в сосуд. Поток ограничен стенками трубопровода, поэтому
условия обтекания тела будут существенно отличаться от условий обте-
кания такого же тела, помещенного в свободный поток. В.большинстве
случаев между стенками трубы и обтекаемым телом остается весьма боль-
шое проходное сечение, обычно кольцевой формы. В этом сечении созда-
ется значительная скорость за счет соответствующего падения давления,
поэтому на обтекаемое тело помимо динамического давления действует
также и разность статических давлений. Эти расходомеры в основном при-
меняются для измерения малых расходов газа. Предел измерения 10” —
10~6 м3/с. В указанных расходомерах формы обтекаемых тел различны.
Может иметь место как линейное, так и угловое перемещение.
Для указанных схем Q = kh, где к — коэффициент (пропорциональ-
ности, h — высота перемещения поплавка или тела; или Q = к<р, где —
угол поворота тела, расположенного в сосуде; к — коэффициент пропор-
циональности.
Максимальная погрешность расходомеров обтекания ± (1 — 2) %.
Тахометрические расходомеры. Наиболее широкое распространение
получили турбинные расходомеры, которые бывают двух типов: аксиаль-
ные и тангенциальные. В большинстве случаев в преобразователях расхода
под действием потока изменяется скорость вращения тела (турбинки),
установленного в трубопроводе. Скорость вращения турбинок измеряет-
ся числом ее оборотов в единицу времени.
Съем сигнала может осуществляться либо с помощью обычного счет-
ного механизма, связанного с валом турбинки, либо различными электро-
магнитными методами. В первом случае возникает погрешность за счет
механизма сочленения вала турбинки со счетным механизмом.
В основном используются электромагнитные способы преобразования
159
информации — индукционные или генераторные. Принцип их действия
основан на создании пульсирующего тока в обмотке (с помощью вра-
щающегося вместе с турбинкой магнита или магнитопровода), помещен-
ной снаружи трубы из диамагнитного материала, с последующим изме-
рением частоты или ЭДС. Чаще всего эти преобразователи имеют снаружи
трубы одну катушку со вставленным внутрь ферромагнитным сердечни-
ком. Если лопасти турбинки изготовлены из ферромагнитного материала,
то, проходя мимо магнита катушки, они индуцируют ЭДС в ее обмотке.
Частота возникающего пульсирующего тока равна числу оборотов турбин-
ки в секунду, умноженному на число лопастей.
Эти расходомеры изготовляют для труб диаметром до 750 мм, с по-
грешностью 03 — 1,5 % при расходах 0,3 • 10“5 — 0,3 м3/с.
Пример включения тахометрического датчика с индуктивным пре-
образованием расхода показан на рис. 16.4.
Первичная обмотка индуктивного датчика ИД питается от генератора
Г высокой частоты (6 — 8 кГц). При вращении турбинки Тпод действием
потока изменяются индуктивные сопротивления вторичных обмоток,
включенных встречно, и на выходе появляется напряжение и , ампли-
туда которого промодулирована частотой /, равной числу ойротов тур-
бинки Т в секунду, умноженному на число лопастей. После усилителя-
демодулятора УД и фильтра Ф, в котором выделяется огибающая с пере-
менной частотой, пропорциональной частоте вращения турбинки, т. е. рас-
ходу, сигнал передается на уси-
литель низкой частоты УНЧ и далее
на измеритель И. Здесь со = nz, где
п — число оборотов; z — число
лопастей турбинки. При малых рас-
ходах (1 — 50 - 10“6 м3/с) начинает
сказываться влияние тормозного
момента основного индукционного
преобразователя.
Шариковые расходомеры при-
меняются для измерения расхода
жидкости или газа, в них подвижным
элементом является шарик, непре-
рывно движущийся в одной плос-
кости по внутренней поверхности
трубы под воздействием потока.
Схемотехнически они наиболее про-
сты.
Камерные расходомеры имеют
один или несколько подвижных эле-
ментов, которые при движении жид-
кости отмеривают определенный
объем или массу жидкости или газа.
В большинстве случаев подвижные
160
Поток
Рис. 16.4. Датчик расхода турбинного
типа:
ИД — измерительный датчик; Г — гене-
ратор; Т - турбинка; УД - усилитель-
демодулятор; Ф - фильтр; УНЧ -
усилитель низкой частоты; И - из-
меритель
элементы перемещаются непрерывно со скоростью, пропорциональной
объему или расходу жидкости. Камерные счетчики и расходомеры имеют
погрешность в пределах от ± 6,5 - 1 % для измерения газов, до 1 - 1,5 %
для жидкостей. Камерные счетчики могут измерять вязкость до 3 10"4
м2/с (300 сСт).
Силовые расходомеры основаны на зависимости от массового расхода
эффекта силового воздействия, сообщающего потоку ускорение того
или иного рода. Это ускорение возникает в процессе придания потоку
какого-либо дополнительного движения (например, закручивания) с
помощью двигателя. Сообщенное в этих приборах дополнительное ус-
корение пропорционально массовому расходу. Измеряемый параметр-
мощность, затраченная на закручивание потока, пропорциональна измеряе-
мому расходу, поэтому силовые расходомеры измеряют массовый расход.
Главное достоинство: возможность измерения пульсирующих расходов
и двухфазных сред (нефтегазовых смесей).
Недостаток — сложность конструкции (много подвижных элементов,
установленных в трубопроводе). Приведенная погрешность 0,5 — 3 %,
максимальный расход жидкости 6 — 300 Т/ч, при диаметре трубопровода
50 — 200 мм.
Вихревые расходомеры основаны на измерении частоты колебаний,
возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Вихри образуются
периодически при обтекании потоком какого-либо тела и при этом обра-
зуются пульсации давления. При выходе потока из суженной части в рас-
ширенную ось потока начинает процессировать и при этом создаются пуль-
сации давления. Частота пульсаций со = kv/d, где к — коэффициент про-
порциональности; v — скорость потока; d — диаметр обтекаемого тела.
В другом варианте реализации прибора поток закручивается тем или
иным способом, приобретая вращательно-поступательное движение. Для
восприятия колебаний потока в трубопроводе размещен преобразователь
давления, обычно пьезоэлектрического типа. Схема такого устройства —
цилиндрическая камера с тангенциальным выводом — приведена на
рис. 16.5. Здесь поток тангенциально выводится через патрубок 1 с диамет-
ром 6 в камеру 2 с диаметром D и, вращаясь, перемещается в направлении
Рис. 16.5. Датчик расхода вихревого типа:
1,3 патрубок; 2,4 - камера
6- 1431
161
к выходному патрубку 3 с диаметром d, находящемуся на торцовой стен-
ке камеры 4. Оттуда вращающийся поток выходит в расширяющуюся
камеру 4, заполненную той же средой. Основное достоинство этого ва-
рианта — отсутствие в конструкции движущихся элементов.
Основные характеристики: расход жидкости от 10 до 250 т/ч, погреш-
ность порядка 0,5 — 2,0 %.
Тепловые расходомеры основаны на измерении зависящего от расхо-
да эффекта теплового воздействия (нагрева или реже охлаждения) на
поток или на тело, контактирующее с потоком.
Эти приборы применяются для измерения скорости и расхода газов
до нескольких тысяч м3/ч. В последнее время нагревательные элементы
стали располагать вне трубопровода. В основном они используются для
научных исследований.
По принципу действия тепловые расходомеры подразделяют на кало-
риметрические, в которых значение расхода измеряют по изменению тем-
пературы потока, и на термоанемометрические, в которых значение расхода
измеряют по изменению температуры подогреваемого тела, помещенного
в поток. В обоих случаях измеряют температуру при постоянной подво-
димой мощности либо измеряют мощность нагрева при постоянной тем-
пературе. Поэтому такие приборы применяются в основном для измерения
расхода газов, так как большая теплоемкость и теплопроводимость жид-
костей требуют значительно большей мощности нагревателя.
Схема одного из типов калориметрического расходомера представ-
лена на рис. 16.6. Прибор имеет нагреватель с током I и два термометра
сопротивления ТС1 и ТС2, расположенные снаружи трубы, включенные
в мостовую измерительную цепь и осуществляющие измерение темпера-
туры газа до и после нагревателя. Показания обоих термометров одина-
ковы при отсутствии потока, поэтому и t =0.
При наличии потока, если поддерживать постоянную разность темпе-
Рис. 16.6. Калориметрический расхо-
домер (ТС - термосопротивление)
Рис. 16.7. Схема электромагнитного
расходомера:
1,4- полюсные наконечники; 2 -
трубопровод; 3,5- электроды
162
ратур, затраченная мощность нагрева окажется пропорциональной мас-
совому расходу.
У тепловых расходомеров погрешность не превышает 1 — 2 % и они
обеспечивают измерение малых расходов в несколько тысяч м3/ч.
Электромагнитные расходомеры предназначены для измерения рас-
хода электропроводящих жидкостей в участках труб из немагнитного ма-
териала. Основной их недостаток — большая инерционность.
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаи-
модействии жидкости с магнитным полем.
Зависимость разности потенциалов, возникающих на электродах,
имеет вид Е = Bdv, где В — индукция; d — внутренний диаметр трубы;
v — скорость движения жидкости в трубе. Значение ЭДС обычно не пре-
вышает 10 мВ. Для компенсации дополнительной ЭДС от наличия внеш-
них магнитных полей в схему включена компенсационная катушка
встречно с основной.
Безынерционность этих расходомеров позволяет производить изме-
рения в быстро перемещающихся потоках. Один из вариантов расходо-
меров такого типа показан на рис. 16.7. Здесь между полюсами 1 — 4
постоянного магнита расположен участок 2 трубопровода из немагнит-
ного материала. При движении потока на электродах 3 — 5, изолирован-
ных от трубопровода 2, возникает ЭДС в соответствии с приведенным
выше выражением.
Кроме описанных расходомеров применяются ультразвуковые, оп-
тические, ионизационные, концентрационные и др.
§ 16.3. Измерение усилий, механических напряжений
и давлений
Усилия, механические напряжения и давления могут быть измерены
различными преобразователями, при этом существует два подхода: 1)
используются такие преобразователи, естественная входная величина
которых соответствует измеряемой величине (силе, давлению, механи-
ческому напряжению); 2) применяются упругие элементы, преобразую-
щие измеряемое усилие или давление в перемещение (обычно доли мкм)
и затем используются преобразователи, воспринимающие малые переме-
щения.
Оба метода находят применение в практике измерительной технике.
Однако применение того или иного метода в основном определяется дина-
мическими свойствами измеряемого параметра. Наиболее инерционными
элементами, как известно, являются упругие элементы и регистрирующие
устройства, которые в конечном итоге определяют выбор метода
измерения.
При измерении усилий, деформаций и механических напряжений в
основном используются тензорезисторы, струнные или индуктивные тен-
зометры. Проволочные, фольговые или пленочные тензорезисторы приме-
няются для измерения относительных деформаций в пределах от 0,005 —
163
0,02 до 1,5 — 2,0 %, полупроводниковые тензорезисторы — до 0,1 % и не-
которые типы тензорезисторов (эластичные с электролитами) до 6 —
10 и 30 - 50 %.
Тензометры и тензорезисторы являются наиболее безынерционными
и применяются для измерения в процессах, изменяющихся с частотой до
100 кГц. Струнные тензометры применяются для измерения деформаций
от 0,1 до 5 %. При измерении линейно-напряженного состояния детали
тензорезисторы наклеиваются в направлении действия этого напряжения.
При измерении тензорезисторы обычно включены в мостовые цепи,
а для исключения температурной погрешности в соседнее плечо моста
включен второй аналогичный тензометр. При этом если в исследуемых
деталях имеются плоскости равной деформации, но разного знака, то
на эти плоскости наклеиваются тензодатчики и включаются в соседние
плечи моста (уменьшается температурная погрешность и увеличивается
чувствительность). Если таких плоскостей нет, тензодатчик наклеивается
на деталь из того же материала и оба датчика включаются в соседние пле-
чи моста или данный датчик наклеивается на дополнительную деталь из
того же материала, что и рабочая деталь, как это показано на рис. 16.8.
Тензометры обычно используются вместе с усилителем на несущей
частоте. Устройства, в которых используется несколько каналов измере-
ния, называются тензостанциями. В настоящее время известны тензостан-
ции для измерения нескольких сотен параметров.
При измерении силы обычно используются упругие элементы, кон-
струкции которых рассчитаны на нагрузки от 1 до 500 кН и имеют высо-
кую чувствительность. Упругие элементы обычно работают в сочетании
Рис. 16.8. Схемы включения тензорезисторов для измерения усилия
и механического напряжения
164
с емкостными преобразователями перемещения, включенными в контур
генератора частоты.
Измерители давления строятся для использования как в режиме пря-
мого преобразования, так и в режиме силовой компенсации. Имеется
много специальной литературы по принципам построения измерителей
давления.
Развитие интегральной технологии позволило создать промышленные
гензорезистивные датчики ’’Сапфир” для измерения давления и перепада
давления.
Преобразователи ’’Сапфир” предназначены для работы в системах
автоматического контроля, регулирования и управления технологическими
процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения изме-
ряемого параметра — давления (избыточного, абсолютного разрежения,
разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный
токовый выходной сигнал для дистанционной передачи.
Указанные преобразователи предназначены для работы со вторичной
регистрирующей и показывающей аппаратурой и другими устройствами
автоматики.
Преобразователи работают по принципу тензорезистивного эффекта
в гетерозпитаксиальной пленке кремния, нанесенной на поверхность
монокристаллической пластинки из сапфира. Питание — постоянный ток
напряжением 36 ± 0,72 В.
Каждый преобразователь имеет регулировку диапазона измерений
и может быть настроен на любой верхний предел измерений, указанный
для данной модели.
Модели преобразователей, пределы измерений и допускаемой основ-
ной погрешности приведены в табл. 16.1.
Таблица! 6.1
Характеристики преобразователей давления "Сапфир"
Наименование пре- образователя Модель Верхний предел измерений Предел допускае- - мой погрешности ±Д % дг
кПа МПа
Преобразователь из- мерительный абсо- лютного давления ’’Сапфир-2 2 ДА” 2050 0,4 (4,0) 0,6 (6,0) 1,0(10) 1,6(16) 2,5(25) 0,?
2051 0,4 (4,0) 0,6 (6,0) 1,0(10) 1,6(16) 2,5(25) 0,25; 0,5
2060 2,5(25) 0 5
165
Продолжение табл. 16.1
Наименование пре- образователя Модель Верхний предел измерений Предел допускав- - мой погрешности
кПа МПа
4,0(40) 6,0(60) 10(100) 16(160)
2061 2,5 (25) 0,25; 0,5
4,0(40) 6,0(60) 10(100) 16 (160) ♦
Преобразователь из- 22130 6,0(600) 0,25; 0,5
мерительный избы- 10(1000) 0,5
точного давления 16 (1600)
”Сапфир-22ДИ” 25(2500) 40(4000) 0,25; 0,5
2140 40 (0,4) 0,25; 0,5
60 (0,6)
100 (1,0)
160 (1,6)
250 (2,5)
2150 0,4 (4,0) 0,6 (6,0) 1,0(10) 1,6(16) 2,5 (25) 0,25; 0,5
2151 0,4 (4,0) 0,6 (6,0) 1,0(10) 1,6(16) 2,5 (25) 0,25; 0,5
§ 16.4. Измерение тепловых величин
В СИ температурная шкала имеет в качестве единицы измерения —
кельвин (К), равный 1/273,16 термодинамической температуры тройной
точки воды. В науке и технике требуется измерение температур в пределах
до 1012 К, что привело к большому разнообразию применяемых методов
и средств измерения. Можно указать на следующие пять областей изме-
рения температур:
от нуля до 10 К (сверхнизкие температуры);
166
от 10 до 800 К (низкие температуры);
от 800 до 6000 К (средние температуры);
от 6000 до 10 000 К (высокие температуры);
от 10 000 до 100 000 К и выше (сверхвысокие температуры).
Сверхнизкие температуры. Эти температуры создаются с помощью
жидкого гелия, и возможные методы измерения здесь также подразделя-
ются на следующие поддиапазоны 0 — 1 К, 1 — 4 К, выше 4 К.
Для поддиапазона 0 - 1 К используются методы магнитной термомет-
рии, основанные на взаимозависимости объемной магнитной восприим-
чивости ряда парамагнитных солей от температуры. Термометр, реализую-
щий этот принцип, представляет собой катушку индуктивности, внутри
которой в однородном магнитном поле размещен образец из медно-калие-
вых или железоалюминиевых квасцов. Катушка включается в мостовую
цепь и под действием температуры окружающей среды индуктивность
катушки изменяется.
Основная особенность при измерении в области сверхнизких темпе-
ратур — трудность осуществления контакта термометра с объектом изме-
рения и градуировки используемой аппаратуры.
Низкие температуры. При измерении низких температур используют-
ся терморезисторы, которые часто строятся на основе металлических
и полупроводниковых сопротивлений, полупроводниковых переходов.
Для низких температур достаточно точное измерение осуществляется
на основе зависимости шумовых напряжений и резистора R от темпера-
туры в. По формуле Найквиста,
4Л0Д Дсо ,
где к — постоянная Больцмана; Дсо — полоса воспринимаемых частот.
Практическая реализация этого метода заключается в сравнении шумов
двух идентичных резисторов, один из которых Ro находится при извест-
ной в о, а другой Rx — при неизвестной вх температуре. При этом сравнение
шумов осуществляется либо по уровню шумов (усиленного и выпрям-
ленного) , если 6 500 К, так как уровень шума низкий, либо по числу
шумовых импульсов при более низких температурах.
Термометры с кварцевыми резонаторами используются для измере-
ния О в диапазоне 10 — 500 К, но наибольшая точность обеспечивается в
диапазоне 193 — 373 К (от — 80 до + 200 °C). Их принцип действия осно-
ван на зависимости от в модуля упругости, а следовательно, и собственной
частоты кварцевых пластин, причем
соо =(1 + ав + Ьв2 +с 03) ,
h
где N — постоянная; h — толщина кварцевой пластины; а, Ь, с — коэффи-
циенты, зависящие от азимута и широты среза пластин кварца. Термо-
чувствительность датчиков составляет 1000 Гц/К.
Датчик кварцевого термометра представляет собой кристаллический
резонатор, выполненный в виде тонкого диска или линзы, помещенных
в герметизированный кожух, заполненный для лучшей теплопровод-
167
ности гелием при давлении 0,1 мм рт. ст. (1,3 • 102 Па) (диаметр кожу-
ха 7 — 10 мм).
Пьезокварцевые термопреобразователи (ПТП) по сравнению с другими
обладают более высокими метрологическими характеристиками — линей-
ностью термочастотной характеристики, высокой чувствительностью и
точностью при получении информации о температуре и при ее преобра-
зовании в код. Эти термопреобразователи целесообразно использовать
в системах автоматического сбора информации при геофизических иссле-
дованиях, предназначенных для проведения полевой геотермической поис-
ковой съемки на нефть [2.10] .
Средние и высокие температуры. В области средних и высоких «темпе-
ратур находят применение термоэлектрические методы с использованием
жаростойких материалов. Здесь в основном используются термопары
различных типов, их характеристики приведены в табл. 16.2.
Таблица 16.2
Основные характеристики термопар
Обозначе- ние термо- пары Обозначение градуировки Материалы термо- электродов Пределы изме- рения при дли- тельном при- менении, °C Верхний пре- дел измерения при кратко- временном о применении, С Чувстви- тель- ность, МкВ/°С
ТПП ПП-1 Платинородий (10 % родия) — платина - 20 - 1300 1600 1,4
ТПР ПР-30/6 Платинородий (30 % родия) - платинородий (6 % родия) 300 - 1600 1800 10,0
ТХА ХА Хр омель-алюме ль - 50 - 1000 1300 40,0
тхк ХК Хромель-копель - 50 - 600 800 80,0
Важными вопросами измерения температуры с помощью термопар в
этом диапазоне являются:
защита термоэлектродов от разрушающего химического и термичес-
кого воздействия среды;
трудность обеспечения контакта при измерении температуры поверх-
ности;
необходимость применения термопар из огнеупорных материалов
при высоких температурах.
Для измерения температур расплава металла применяются термо-
пары из благородных металлов, при этом датчик погружается в металл
на время, безопасное для его работоспособности.
168
Так, для расплавов термопара погружается в измеряемую среду на
0,4 — 0,6 с и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая.
По зависимости между скоростью нагрева термопары и температурной
среды находят значение измеряемой температуры. Такой способ при-
меняется для расплавленных металлов в пределах 2000 — 2500 ° С и газо-
вых потоков до 1900 °C.
В качестве вторичных приборов для измерения термоЭДС используют-
ся приборы компенсационного типа, в основном автоматические.
Сверхвысокие температуры. Область этих температур начинается
от 2500 °C и практически не имеет верхней границы. Вещество при этой
температуре находится в состоянии плазмы и здесь находят применение
разновидности яркостного и цветного методов.
§ 16.5. Измерение параметров ионизирующих излучений
Ионизирующие излучения представляют собой электромагнитные или
корпускулярные излучения (рентгеновские и у-излучения, или соответ-
ственно а- и /3-излучения), обладающие энергией, достаточной для выры-
вания электронов из атомов вещества, которыми они поглощаются. При
этом атомы вещества заряжаются положительно и становятся ионами.
Область пространства, пронизываемая излучением, характеризуется
следующими величинами:
плотностью потока частиц = ANK&A&t), где A7V — количество
частиц, проникших в сферу; Д А — поверхность большого круга, в кото-
ром заключена рассматриваемая точка, за некоторый промежуток вре-
мени Д г;
плотностью потока энергии (или интенсивностью излучения).
Ионизирующие излучения получили наибольшее распространение
в радиобиологии и медицине. Доза излучения (поглощения) измеряется
в греях. Это такая единица дозы излучения, при которой облученному
веществу массой в 1 кг передается энергия ионизирующего излучения
в 1 Дж. Поглощенная доза используется в дозиметрии как основная вели-
чина, поскольку о биологическом действии излучения можно судить по
энергии излучения, поглощенной живой тканью.
Учет распределения энергии излучения вызывает значительные мет-
рологические трудности. Необходимо учитывать взаимодействие излу-
чения с определенным материалом, характеризующим энергию излуче-
ния. При этом в качестве исходной принята толщина слоя, в которой доза,
воздействующая на зто вещество, уменьшается в два раза по сравнению
с исходным значением.
Для радиоактивных источников, содержащих N атомов, активность
А изотопов представляет собой число распадов за промежуток времени
t:A -dN/dt. Единицей измерения служит беккерель (Бк), т. е. 1 Бк =
= 1 с-1. Внесистемной единицей служит кюри (Ки), под которой пони-
мают активность такого изотопа, в котором в 1 с происходит 3,7 1О10
актов распада (1 Ки=3,7 • 1О10 Бк).
169
Период полураспада Т^2 радиоактивного изотопа — зто промежуток
времени, в течение которого количество первоначально имеющихся ато-
мов в результате радиоактивного превращения уменьшается в два раза:
Л/2 =’п где X — постоянная распада радиоактивного изотопа.
Периоды полураспада и области применения отдельных веществ при-
ведены в табл. 16.3.
Таблица! 6.3
Периоды полураспада радиоактивных веществ
Радиоактивный изотоп Г1/2 Области применения
Кобальт60 Со 5,3 года Испытание материалов
Стронций Sr 28 лет Измерение толщины
Иод131 I 8,1 дня Медицина
Цезий137 Cs 30 лет Испытание материалов и меди-
цина
Ирцций 192 1г 74 дня То же
Золото198 Аи 2,7 дня Медицина (терапия)
Измерение параметров ионизационного излучения основано на ис-
пользовании двух электродов, установленных в объеме газа, при этом
вольт-амперная характеристика (рис. 16.9) может быть использована раз-
личными способами. Под действием облучения в газе образуются ионы,
что является причиной появления тока I, зависящего от приложенного
напряжения и.
В области V (рис. 16.9) работают счетчики Гейгера—Мюллера и счетчи-
ки искровых разрядов.
Область IV представляет наибольший интерес: пропорциональные
счетчики, работающие в этой области, характеризуются таким параметром,
как вероятность срабатывания (КПД), под которым понимают отношение
числа зарегистрированных частиц к числу частиц, поступивших в объем
счетчика частиц.
Частицы а- и /3-излучений и протоны сравнительно низкой энергии поз-
воляют достичь близкой к 100 % вероятности срабатывания; при рентге-
новском и 7-излучениях КПД достигает порядка 1 %. При измерении быст-
рых нейтронов используют водород; срок службы таких счетчиков —
1012 импульсов срабатывания. „ _
Рис. 16.9. Вольт-амперная харак-
теристика:
I - омическая область; II -
промежуточная область; III -
область работы ионизационной
камеры; IV - область работы
пропорционального счетчика;
V - область работы счетчика
с самостоятельным разрядом
170
Находят применение и другие типы детекторов, например счетчик
Гейгера, используемый для измерения радиоактивности /3- и «^излучений,
срок службы счетчиков — до 1010 импульсов.
§ 16.6. Вопросы охраны окружающей среды
С 1 января 1981 г. введен в действие закон СССР ”06 охране атмос-
ферного воздуха”. В этом законе сказано, что атмосферный воздух явля-
ется одним из основных жизненно важных элементов окружающей при-
родной среды, сохранению чистоты которой Советское государство прида-
ет большое значение.
В СССР проводится комплекс научно обоснованных технических,
экономических, социальных мероприятий, направленных на предупрежде-
ние и устранение загрязнения атмосферы, а также осуществляется между-
народное сотрудничество в этой области.
В реализации мер борьбы с загрязнением атмосферы ответственные
задачи по наблюдению и контролю за уровнем атмосферных загрязнений
возложены на ряд служб страны. Создана общегосударственная служба
наблюдения и контроля за загрязнением атмосферы. В основу общегосу-
дарственной службы наблюдения и контроля за загрязнением атмосфе-
ры положена комплексность наблюдений за химическим составом атмо-
сферного воздуха и выбросами вредных веществ в атмосферу.
Организация наблюдений и контроля за загрязнением атмосферы
предусматривает создание маршрутных и передвижных постов. Стацио-
нарные посты служат для проведения систематических наблюдений. Они
оборудованы специальными лабораториями, оснащенными необходимой
аппаратурой для отбора проб воздуха и непрерывной регистрации содер-
жания вредних примесей в атмосфере. Передвижные посты служат для
разовых наблюдений в зонах промышленных выбросов.
Борьба за чистоту воздушной среды вызвала к жизни новую науч-
ную дисциплину — химию атмосферы, цель которой — установление источ-
ников и уровня выделений, оказывающих неблагоприятное воздействие
на атмосферу, на здоровье людей и вызывающих при известных условиях
опасные ситуации.
Таким образом, появилась необходимость разработки систем метро-
логического обеспечения контроля и прогнозирования фундаментальной
характеристики атмосферы — ее состава.
К основным задачам, стоящим перед этими системами, следует
отнести:
необходимость чрезвычайно высокой точности измерения концентра-
ции микрокомпонентов (погрешность не более 1 — 10 %) в диапазоне
10~2 - IO"9 %;
обеспечение дистанционного зондирования и экспрессности в реальных
условиях, в том числе с использованием спутников;
создание различных моделей прогнозов;
обоснование принципов построения многоцелевой информационно-
измерительной системы (ИИС) для контроля атмосферы;
создание новых биохимических методов и средств контроля;
контроль стабильности состава атмосферы; ।
изучение динамики изменения газового состава в условиях искус-
ственных экологических систем, пилотируемых станций и глубоковод-
ной аппаратуры для исследования Мирового океана;
создание автоматизированных измерительных комплексов и др.
Вопросы для самоконтроля
I. Перечислите типы преобразований для измерения линейных и 'угловых раз-
меров.
2. Каковы основные параметры движения и методы измерения этих параметров?
3. Перечислите типы измерителей расхода веществ.
4. Каковы особенности измерения усилий, механических напряжений и давлений?
5. Поясните принцип действия промышленных датчиков давления ’’Сапфир”.
6. Приведите классификацию диапазонов измерения температуры.
7. Поясните принципы измерения параметров ионизирующего излучения.
P A 3 Д Е Л 6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
i
I
I Г Л АВ А 17. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
'ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
§ 17.1. Общая классификация измерительных информационных
систем
Измерительная информационная система (ИИС) в соответствии с
ГОСТ 8.437—81 представляет собой совокупность функционально объеди-
ненных измерительных, вычислительных и других вспомогательных техни-
ческих средств для получения измерительной информации, ее преобразо-
вания, обработки с целью представления потребителю (в том числе для
АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических
функций контроля, диагностики, идентификации.
В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде
измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК),
технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации) об-
разов (СРО). В СТД, САК и СРО измерительная система входит как под-
система.
Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается
ИИС, обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на
выходе системы получается количественная информация (и только ин-
формация) , отражающая состояние данного объекта. Измерительные
информационные системы существенно отличаются от других типов ин-
формационных систем и систем автоматического управления (САУ).
Так, ИИС, входящая в структуры более сложных систем (вычислительных
систем связи и управления), может быть источником информации для
этих систем. Использование информации для управления не входит в
функции ИИС, хотя информация, получаемая на выходе ИИС, может ис-
пользоваться для принятия каких-либо решений, например для управле-
ния конкретным экспериментом.
Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особен-
ности, определяемые узким назначением систем и их технологически-
конструктивным исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до на-
стоящего времени не существует общепринятой классификации ИИС.
Наиболее распространенной является классификация ИИС по функ-
циональному назначению. По этому признаку, как было сказано выше,
будем различать собственно ИС, САК, СТД, СРО [1.1] .
По характеру взаимодействия системы с объектом исследования
и обмена информацией между ними ИИС могут быть разделены на актив-
ные и пассивные (рис. 17.1).
Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта,
а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий,
позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить
173
Информационные
измерительные
системы
Рис. 17.1. Классификация ИИС
crip поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации
научных исследований различных объектов.
\ В зависимости от характера обмена информацией между объектами
и активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью
ко воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее
установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей
реакцию объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер
воздействия, а следовательно, и на ход эксперимента. Его результаты
могут быть выданы оператору после окончания. Во втором случае резуль-
таты (реакции отражаются на характере воздействия, поэтому обработка
ведется в реальном времени. Такие системы должны иметь развитую вы-
числительную сеть. Кроме того, необходимо оперативное представление
информации оператору в форме, удобной для восприятия, с тем чтобы
он мог вмешиваться в ход процесса.
Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных
работ, организации управления технологическими процессами с примене-
нием ИИС в значительной мере определяется методами обработки изме-
рительной информации.
Операции обработки измерительной информации выполняются в
устройствах, в качестве которых используются специализированные либо
универсальные ЭВМ. В некоторых случаях функции обработки результа-
тов измерения могут осуществляться непосредственно в измерительном
тракте, т. е. измерительными устройствами в реальном масштабе времени.
В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка
информации может производиться как в реальном масштабе времени,
так и с предварительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. 9.
со сдвигом по времени.
При исследовании сложных объектов или выполнении многофактор-
ных экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие
высокое быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются боль-
шими потоками информации на их выходе.
Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной апри-
орной информации об объекте исследования можно за счет сокращения
избыточности информации, т. е. сокращения интенсивности потоков изме-
рительной информации. Исключение избыточной информации, несущест-
венной с точки зрения ее потребителя, позволяет уменьшить емкость
устройств памяти, загрузку устройств обработки данных, а следователь-
но, и время обработки информации, снижает требования к пропускной
способности каналов связи.
При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется
проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения
вероятностей возникновения (или даже исключения) нежелательных
ситуаций. Этого можно достичь, если на ИИС возложить функции само-
контроля, в результате чего ИИС способна осуществлять тестовые провер-
ки работоспособности средств системы и тем самым сохранять метроло-
гические характеристики тракта прохождения входных сигналов, про-
175
верить достоверность результатов обработки информации, получаемой
посредством измерительных преобразований, и ее представления. ' /
Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие
автоматическую коррекцию своих характеристик — самонастраивающие-
ся (самокорректирующиеся) системы. /
Введение в такие системы свойств автоматического использования
результатов самоконтроля — активного изучения состояния ИИС Р- и
приспосабливаемое™ к изменению характеристик измеряемых сигналов
или к изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение
заданных параметров системы.
§ 17.2. Классификация ИИС по функциональному назначению |
i
В зависимости от функционального назначения структуры ИИС под-
разделяют по принципу построения. Рассмотрим основные особенности
и отличия.
Собственно измерительные системы используются для различного
рода комплексных исследований научного характера. Они предназначены
для работы с объектами, характеризующимися до начала эксперимента
минимумом априорной информации. Цель создания таких систем заклю-
чается в получении максимального количества достоверной измеритель-
ной информации об объекте для составления алгоритмического описа-
ния его поведения.
Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомо-
гательный характер. Как отмечалось, информация, полученная на выходе
ИИС, может использоваться для принятия каких-либо решений, создания
возмущающих воздействий, но не для управления объектом. ИИС пред-
назначена для создания дополнительных условий проведения эксперимента,
для изучения реакции объекта на эти воздействия. Следовательно, использо-
вание информации не входит в функции ИИС. Эта информация предостав-
ляется человеку-оператору или поступает в средства автоматической об-
работки информации.
Для измерительных систем характерны:
более высокие по отношению к системам другого вида требования
к метрологическим характеристикам;
более широкий спектр измеряемых физических величин и в особен-
ности их количество (число измерительных каналов);
необходимость в средствах представления информации; это связано
с тем, что основной массив информации с выхода систем передается чело-
веку для принятия им решения об изменении условий проведения экспе-
римента, его продолжении или прекращении. Поэтому определяющим
требованием является неискаженное, наглядное и оперативное представ-
ление текущей информации с учетом динамики ее обновления и быстро-
действия системы, обеспечивающее удобство восприятия и анализа чело-
веком;
большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка
176
Рис. 17.2. Классификация ИС по функциональному назначению
и анализ результатов измерений выполняются после завершения процес-
са эксперимента с помощью набора различных средств обработки и пред-
ставления информации.
Разновидности ИС представлены на рис. 17.2:
”А” — ИС для прямых измерений, т. е. независимых измерений дис-
кретных значений непрерывных величин;
”Б” — статистические ИС, предназначенные для измерения статистичес-
ких характеристик измеряемых величин;
”В” — системы, предназначенные для раздельного измерения зависи-
мых величин.
Входными в ИС для прямых измерений являются величины, воспри-
нимаемые датчиками или другими входными устройствами системы.
Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-цифровых преобра-
зований множества величин и выдаче полученных результатов измерения.
В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин
могут быть сведены либо к множеству изменяющихся во времени вели-
чин , i = 1,2, ..., п, либо к изменяющейся во времени t и распре-
деленной по пространству Л непрерывной функции x(t, Л). При изме-
рении непрерывная функция х (t, Л) представляется множеством дискрет
[x(tf, Л.) }, i = 1,2,..., п, /=1,2,3,...
Измерительные системы, производящие измерения дискрет функции
x{t, Л), основаны на использовании многоканальных, многоточечных,
мультиплицированных и сканирующих структур.
Многоканальные системы объединяются в один из самых распростра-
177
ненных классов измерительных систем параллельного действия, применяе-
мых во всех отраслях народного хозяйства. Основные причины столь
широкого распространения многоканальных ИС заключаются в возмож-
ности использования стандартных, относительно простых, измеритель-
ных приборов, в наиболее высокой схемной надежности таких систем,
в возможности получения наибольшего быстродействия при одновре-
менном получении результатов измерения, в возможности индивидуаль-
ного подбора СИ к измеряемым величинам. I
Недостатки таких систем - сложность и большая стоимость по срав-
нению с другими системами.
В измерительных системах последовательного действия — сканирую-
щих измерительных системах — операции получения информации выпол-
няются последовательно во времени с помощью одного канала измерения.
Если измеряемая величина распределена в пространстве или собственно
координаты точки являются объектом измерения, то восприятие инфор-
мации в таких системах выполняется с помощью одного сканирующего
датчика.
Сканирующие системы находят применение при расшифровке гра-
фиков. В медицине, геофизике, метрологии, при промышленных испыта-
ниях, во многих отраслях народного хозяйства и при научных исследова-
ниях затрачивается значительное время на измерение параметров графичес-
ких изображений и представление результатов измерения в цифровом
виде. Для указанных целей промышленностью выполняются различные
специализированные полуавтоматические расшифровочные устройства
и системы (’’Силуэт”).
Сканирование может выполняться непосредственно воспринимающим
элементом или сканирующим лучом при неподвижном воспринимающем
элементе. Такими элементами могут быть оптико-механические или злек-
тронно-развертывающие устройства.
Для измерения координат графических изображений применяются
различные акустические системы. В геологии и картографии, океанологии
и других областях при автоматизации проектирования осуществляются
измерения и выдача в цифровом виде координат сложных графических
изображений на фотоносителях, чертежах и документах. При этом генера-
тор (полуавтоматические измерения) лишь указывает точки изображения,
координаты которых необходимо измерить. Используемые здесь датчики,
как правило, осуществляют преобразование координат точек в интервалы
времени прохождения световых или акустических импульсов между точ-
ками, координаты которых были измерены.
При использовании в устройствах ЭВМ одновременно со считыванием
координат осуществляют обработку графических изображений по задан-
ной программе.
Голографические ИС (ГИС). Основу датчиков составляют лазеры,
представляющие собой когерентные источники света, когерентная опти-
ка и оптоэлектронные преобразователи.
В настоящее время ГИС находят применение для целей светолокации,
178
гироскопии, измерения линейных и угловых перемещений, скоростей
и ускорений и др. В зависимости от метода использования лазерных сис-
темных датчиков ГИС осуществляют измерения указанных физических
величин.
Голографические измерительные системы отличаются высокой чув-
ствительностью и повышенной точностью, что послужило ОСНОВОЙ широ-
ко! о их применения в голографической интерферометрии. Голографи-
ческая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение и одно-
временное получение информации от множества точек наблюдаемой по-
верхности с использованием меры измерения — длины световой волны,
известной с высокой метрологической точностью.
Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необ-
ходимости многократного последовательного использования отдельных
устройств измерительного тракта, а следовательно, к применению ИС
иа.раллельно-».-><_;1сдивщс.|ЬНи11. Лствия, которые носят название много-
точечных ИС. Работа таких ИС основана на принципе квантования измеряе-
мых непрерывных величин по времени.
Измерительные системы с общей образцовой величиной — мультипли-
цированные развертывающие измерительные системы — содержат мно-
жество параллельных каналов. Структура системы включает датчики и
устройство сравнения (одно для каждого канала измерения), источник
образцовой величины и одно или несколько устройств представления из-
мерительной информации. Мультиплицированные развертывающие изме-
рительные системы позволяют в течение цикла изменения образцовой
величины (развертки) выполнять измерение значений, однородных по
физической природе измеряемых величин, без применения коммутацион-
ных элементов в канале измерения. Такие ИС имеют меньшее количество
элементов по сравнению с ИС параллельного действия и могут обеспечить
практически такое же быстродействие.
Статистические измерительные системы. Статистический анализ слу-
чайных величин и процессов широко распространен во многих отраслях
науки и техники. При статистическом анализе используются законы рас-
пределения вероятностей и моментные характеристики, а также корреля-
ционные спектральные функции.
Системы для измерения законов распределения вероятностей слу-
чайных процессов — анализаторы вероятностей — могут быть одно- и много-
канальными.
Одноканальные анализаторы вероятностей за цикл анализа реализации
x(t) позволяют получить одно дискретное значение функции или плот-
ности распределения исследуемого случайного процесса.
Многоканальные анализаторы позволяют получать законы распреде-
ления амплитуд импульсов и интервалов времени между ними, амплитуд
непрерывных временных и распределенных в пространстве случайных
процессов и др. Многоканальные анализаторы широко используются в
ядерной физике, биологии, геофизике, в химическом и металлургическом
производствах. При этом используются аналоговые, цифровые и смешан-
ные принципы построения анализаторов.
179
/
Существует два основных метода построения корреляционных изме-
рительных систем. Первый из них связан с измерением коэффициентов
корреляции и последующим восстановлением всей корреляционной функ-
ции, второй — с измерением коэффициентов многочленов, аппроксими-
рующих корреляционную функцию. I
По каждому из этих методов система может действовать последова-
тельно, параллельно, работать с аналоговыми или кодоимпульсными сиг-
налами и в реальном времени.
Значительный класс статистических ИС - корреляционные экстремаль-
ные ИС -- основан на использовании особой точки — экстремума корре-
ляционной функции при нулевом значении аргумента. Корреляционные
экстремальные ИС широко применяются в навигации, радиолокации,
металлообрабатывающей, химической промышленности и в других об-
ластях для измерения параметров движения разнообразных объектов.
Выделение сигналов на фоне шумов, измерение параметров движе-
ния, распознавание образов, идентификация, техническая и медицинская
диагностика — это неполный перечень областей практического приме-
нения методов и средств корреляционного анализа. В настоящее время
подавляющий объем статистического анализа выполняется корреляцион-
ными ИС, содержащими ЭВМ, дибо отдельными устройствами со сред-
ствами микропроцессорной техники.
Системы спектрального анализа предназначены для количественной
оценки спектральных характеристик измеряемых величин. Существую-
щие методы спектрального анализа основываются на применении частот-
ных фильтров или на использовании ортогональных преобразований слу-
чайного процесса и преобразований Фурье над известной корреляционной
функцией.
Различают параллельный фильтровый анализ (полосовые избиратель-
ные фильтры-резонаторы), последовательный фильтровый анализ (пере-
страиваемые фильтры и гетеродинные анализаторы), последовательно-
параллельный анализ.
Достоинства бесфильтровых анализаторов, основанных на определе-
нии коэффициентов ряда Фурье, связаны с получением высокой разре-
шающей способности, что позволяет их использовать для детального ана-
лиза определенных участков спектра.
Системы для раздельного измерения взаимосвязанных величин при-
меняются в следующих случаях:
исследуемое явление или объект характеризуется множеством неза-
висимых друг от друга величин: X = ( [xj ] , [х2] ,..., [хи] ? и при нали-
чии селективных датчиков можно осуществить измерение всех значений
[* ];
при независимых [х;] , но не селективных датчиках, сигналы на вы-
ходе которых содержат составляющие от нескольких величин, встает
задача выделения каждой измеряемой величины [х;] ;
если элементы множества X = { [х,] , [х2] , ..., [х ] } связаны
между собой, то также необходимо осуществить раздельное измерение
180
величин х~ Наиболее типичные задачи взаимно связанных измерений —
измерение концентрации составляющих многокомпонентных жидких,
газовых или твердых смесей или параметров компонентов сложных элек-
тронных цепей без гальванического расчленения.
При раздельном измерении взаимосвязанных величин осуществляется
воздействие на многокомпонентное соединение в целях селекции и измере-
ния нужного компонента. Для механических и химических соединений
существуют различные методики и средства такого раздельного измерения:
масс-спектрометрия, хроматография, люминесцентный анализ и др.
Системы, измеряющие коэффициенты приближающих многочленов,
называются аппроксимирующими (АИС) и предназначены для количест-
венного описания величин, являющихся функциями времени, простран-
ства или другого аргумента, а также их обобщающих параметров, опреде-
ляемых видом приближающего многочлена.
Информационные операции в АИС выполняются последовательным,
параллельным или смешанным способом. АИС реализуются с разомкнутой
или замкнутой информационной обратной связью, в виде аналоговых
или цифровых устройств.
При создании и использовании АИС выбирают тип приближающего
многочлена и с учетом заданной погрешности аппроксимации определяют
порядок функции.
Реализация задач АИС требует знания априорных сведений об исход-
ной функции, учета метрологических требований к измерениям и др.
При этом в качестве базисных функций могут быть выбраны ряды Фурье,
разложения Фурье—Уолша, Фурье—Хаара, многочлены Чебышева, Лагран-
жа, Лежандра, Лагерра и др.
К основным областям применения АИС относятся измерение статис-
тических характеристик случайных процессов и характеристик нелиней-
ных объектов, сжатие радиотелеметрической информации и информации
при анализе изображений, фильтрация-восстановление функций, генерация
сигналов заданной формы.
Системы автоматического контроля (САК). Системы автоматичес-
кого контроля предназначены для контроля технологических процессов,
при этом характер поведения и параметры их известны. В этом случае объ-
ект контроля рассматривается как детерминированный.
Эти системы осуществляют контроль соотношения между текущим
(измеренным) состоянием объекта и установленной ’’нормой поведения”
по известной математической модели объекта. По результатам обработки
полученной информации выдается суждение о состоянии объектов конт-
роля. Таким образом, задачей САК является отнесение объекта к одному
из возможных качественных состояний, а не получение количественной
информации об объекте, что характерно для ИС.
В САК благодаря переходу от измерения абсолютных величин к от-
носительным (в процентах ’’нормального” значения) эффективность ра-
боты значительно повышается. Оператор САК при таком способе коли-
чественной оценки получает информацию в единицах, непосредственно
181
характеризующих уровень опасности в поведении контролируемого объ-
екта (процесса).
Как правило, САК имеют обратную связь, используемую для воздей-
ствия на объект контроля. В них внешняя память имеет значительно мень-
ший объем, чем объем памяти ИС, так как обработка и представление
информации ведутся в реальном ритме контроля объекта.
Объем априорной информации об объекте контроля в отличие от
ИС достаточен для составления алгоритма контроля и функционирова-
ния самой САК, предусматривающего выполнение операций по обработ-
ке информации. Алгоритм функционирования САК определяется пара-
метрами объекта контроля. Например, существуют параметры, кратко-
временное отклонение которых от ’’нормального” значения может по-
влечь за собой возникновение аварийной ситуации; кратковременное от-
клонение других параметров существенно не влияет на нормальный ход
процесса и поведение объекта; третья группа параметров используется для
расчета технико-экономических показателей (расход сырья, выход основ-
ного продукта и т.д.).
По сравнению с ИС эксплуатационные параметры САК более высокие:
длительность непрерывной работы, устойчивость и воздействие промыш-
ленных помех, климатические и механические воздействия.
В настоящее время в основу классификации САК положена общая
классификация ИИС с учетом специфики функций, выполняемых САК.
Системы автоматического контроля могут быть встроенные в объект
контроля и внешние по отношению к нему. Первые преимущественно при-
меняются в сложном радиоэлектронном оборудовании и входят в комп-
лект такого оборудования. Вторые обычно более универсальны.
Системы технической диагностики (СТД). Они относятся к классу
ИИС, так как здесь обязательно предполагается выполнение измеритель-
ных преобразований, совокупность которых составляет базу для логичес-
кой процедуры диагноза. Цель диагностики — определение класса состоя-
ний, к которому принадлежит состояние обследуемого объекта.
Диагностику следует рассматривать как совокупность множества
возможных состояний объекта, множества сигналов, несущих информа-
цию о состоянии объекта, и алгоритмы их сопоставления.
Объектами технической диагностики являются технические системы.
Элементы любого технического объекта обычно могут находиться в двух
состояниях: работоспособном и неработоспособном. Поэтому задачей
систем технической диагностики СТД является определение работоспособ-
ности элемента и локализация неисправностей.
Основные этапы реализации СТД:
выделение состояний элементов объекта диагностики контролируемых
величин, сбор необходимых статистических данных, оценка затрат труда
на проверку;
построение математической модели объекта и разработка програм-
мы проверки объекта;
построение структуры диагностической системы.
182
Элементы объекта диагноза, как правило, недоступны для непосред-
ственного наблюдения, что вызывает необходимость проведения проце-
дуры диагноза без разрушения объекта. В силу этого в СТД преимуществен-
но применяются косвенные методы измерения и контроля.
В отличие от ИС и САК система технической диагностики имеет иную
организацию элементов структуры и другой набор используемых во вход-
ных цепях устройств и преобразователей информации. Входящий в состав
структуры СТД набор средств обработки, анализа и представления инфор-
мации может оказаться значительно более развитым, чем в ИС и САК.
В СТД определение состояния объекта осуществляется программными
средствами диагностики. При поиске применяется комбинационный или
последовательный метод.
При комбинационном поиске выполняется заданное число проверок
независимо от порядка их осуществления. Последовательный поиск свя-
зан с анализом результатов каждой проверки и принятием решения на
проведение последующей проверки. Классификационная схема СТД при-
ведена на рис. 17.3. Системы технической диагностики подразделяют на
специализированные и универсальные.
По целевому назначению различают диагностические и прогнозирую-
щие СТД. Диагностические системы предназначены для установления
точного диагноза, т. е. для обнаружения факта неисправности и локали-
зации места неисправности. Прогнозирующие СТД по результатам про-
верки в предыдущие моменты времени предсказывают поведение объекта
в будущем.
По виду используемых сигналов СТД подразделяют на аналоговые
и кодовые. По характеру диагностики или прогнозирования различают
статистические и детерминированные СТД. При статистической оценке
объекта решение выносится на основании ряда измерений или проверок
сигналов, характеризующих объект. В детерминированной СТД пара-
метры измерения реального объекта сравниваются с параметрами образ-
цовой системы (в СТД должны храниться образцовые параметры прове-
ряемых узлов). Системы технической диагностики подразделяют также
на автоматические и полуватоматические, а по воздействию на проверяе-
мые объекты они могут быть пассивными и активными. В пассивной СТД
результат диагностики представляется на световом табло либо в виде ре-
гистрационного документа, т. е. результатом проверки является только
сообщение о неисправности. При активной проверке СТД автоматически
подключает резерв или осуществляет регулирование параметров отдельных
элементов. Конструктивно СТД подразделяют на автономные и встроенные
(или внешние и внутренние).
Системы распознавания образов (СРО). Предназначены для опреде-
ления степени соответствия между исследуемым объектом и эталонным
образом.
Для задач классификации биологических объектов и дактилоскопи-
ческих снимков, опознавания радиосигналов и других создаются специаль-
ные системы разпознавания образов. Эти системы осуществляют распоз-
183
Специализированные
Универсальные
д и агностически ё
Прогнозирующие
Аналоговые
кодовые
Статистические ~
Детерминированные
Наладочные,
непрерывные
Периодические.
Профилактические
А Стоматические
Полуавтоматические
Активные
Пассивные
Автономные
Встроенные
Комбинационные
Последовательные
Рис. 17.3. Классификация структуры СТД
навание образов через количественное описание признаков, характеризую-
щих данный объект исследования.
Процесс распознавания реализуется комбинацией устройств обработ-
ки и сравнения обработанного изображения (описания образа) с эталон-
ным образом, находящимся в устройстве памяти. Распознавание осущест-
вляется по определенному, заранее выбранному, решающему правилу.
При абсолютном описании образа изображение восстанавливается с задан-
ной точностью, а относительное описание с набором значений отличитель-
ных признаков (например, спектральных характеристик), не обеспечивая
полное воспроизведение изображения.
Как пример СРО можно привести голографические распознающие
системы (PC). В этих системах распознавание изображений осуществля-
ется с относительно высокой скоростью (от 103 до 106 изображений в
секунду благодаря параллельному анализу голограмм). Голографические
184
PC нашли широкое применение при поиске химических элементов по
спектрам их поглощения и в навигации при определении положения объ-
екта по наземным ориентирам. В голографических PC удачно сочетаются
высокая производительность оптических методов сбора и обработка инфор-
мации с логическими и вычислительными возможностями ЭВМ.
Телеизмерительные информационные системы (ТИИС). Они отлича-
ются от ранее рассмотренных в основном длиной канала связи. Канал
связи является наиболее дорогой и наименее надежной частью этих сис-
тем, поэтому для ТИИС резко возрастает значение таких вопросов, как
надежность передачи информации.
Классификация ТИИС приведена на рис. 17.4. Телеизмерительные
ИИС могут быть одно- или многоканальными. Они предназначаются для
измерения параметров сосредоточенных и рассредоточенных объектов.
В зависимости от того, какой параметр несущего сигнала используется
для передачи информации, можно выделить ТИИС:
интенсивности, в которых несущим параметром является значение
тока или напряжения;
частотные (частотно-импульсные), в которых измеряемый параметр
меняет частоту синусоидальных колебаний или частоту следования им-
пульсов;
время-импульсные, в которых несущим параметром является дли-
тельность импульсов; к ним же относятся фазовые системы, в которых
измеряемый параметр меняет фазу синусоидального сигнала или сдвиг
во времени между двумя импульсами;
кодовые (кодоимпульсные), в которых измеряемая величина переда-
ется какими-либо кодовыми комбинациями.
Системы интенсивности подразделяются на системы тока и системы
напряжения в зависимости от того, какой вид сигнала используется для
информации. Этим системам присущи сравнительно большие погреш-
ности, и они используются при передаче информации на незначительное
расстояние.
Рис. 17.4. Классификация ТИИС
185
Частотные ТИИС имеют большие возможности, поскольку в них прак-
тически отсутствуют погрешности, обусловленные влиянием линий связи,
и возрастает дальность передачи информации по сравнению с системами
интенсивности.
Время-импульсные системы по длительности применяемых для пере-
дачи импульсов подразделяют на две группы: системы с большим перио-
дом (от 5 до 50 с) и системы с малым периодом (менее десятых долей
секунды).
Длиннопериодные системы применяются в основном для измерения
медленно меняющихся незлектрических величин (уровень жидкости,
давление газов и др.).
Короткопериодные системы имеют большое быстродействие. Для
передачи коротких импульсов требуется большая полоса частот, пропус-
каемых каналом связи. В силу этого такие системы с проводными лини-
ями связи (ЛС) используются редко.
В последнее время получили широкое развитие адаптивные ТИИС,
в которых алгоритмы работы учитывают изменение измеряемой величи-
ны или окружающих условий (воздействий).
Основная цель применения адаптивных ТИИС состоит в исключении
избыточности выдаваемой системой измерительной информации и в со-
хранении или оптимизации метрологических характеристик (помехоус-
тойчивости, быстродействия, погрешностей) при изменении условий из-
мерительного эксперимента.
В адаптивных ТИИС используются алгоритмы адаптивной дискрети-
зации и могут быть использованы алгоритмы адаптивной аппроксимации.
§ 17.3. Обобщенная структура ИИС
Рассмотренные выше измерительные информационные системы пока-
зывают, что почти для каждого типа ИИС используется цепочка из аппарат-
ных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатываю-
щих). Для объяснения назначения функциональных частей и элементов,
входящих в состав ИИС, для описания их взаимосвязи в системе рассмот-
рим обобщенную структурную схему ИИС (рис. 17.5).
Таким образом, обобщенная структурная схема ИИС содержит:
множество различных первичных измерительных преобразователей
1, размещенных в определенных точках пространства стационарно или
перемещающихся в пространстве по определенному закону;
множество измерительных преобразователей 2, которое может состо-
ять из преобразователей аналоговых сигналов, коммутаторов аналоговых
сигналов, аналоговых вычислительных устройств, аналоговых устройств
памяти, устройств сравнения аналоговых сигналов, аналоговых каналов
связи, аналоговых показывающих и регистрирующих измерительных
приборов;
группу аналого-цифровых преобразователей 3, а также аналоговых
устройств допускового контроля;
186
Рис. 17.5. Обобщенная структурная схема ИИС:
1 - первичные измерительные преобразователи; 2 - преоб-
разователи; 3 — АЦП; 4 - цифровые устройства; 5 — устрой-
ства вывода регистрации и отображения информации; 6 -
ЦАП; 7 - интерфейсные узлы; 8 - система шин; 9 - устрой-
ства управления; 10 - исполнительные устройства (ИФУ -
интерфейсные устройства; ОИ - объект исследования)
множество цифровых устройств 4, содержащее формирователи им-
пульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные
цифровые вычислительные устройства, устройство памяти, устройство
сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируе-
мые вычислительные устройства — микропроцессоры, микроЭВМ и др.;
группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации 5,
которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов, печатающие
устройства записи на перфоленту и считывания с перфоленты, накопите-
ли информации на магнитной ленте, на магнитных дисках и на гибких
магнитных дисках, дисплеи, сигнализаторы, цифровые индикаторы;
множество цифроаналоговых преобразователей 6;
указанные функциональные блоки соединяются между собой через
стандартные интерфейсы или устанавливаются жесткие связи;
интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие системы шин 8, интер-
фейсные узлы 7 и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служа-
щие главным образом для приема командных. сигналов и передачи ин-
формации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные устрой-
ства могут передаваться команды на изменение режима работы, на под-
ключение заданной цепи с помощью коммутатора;
устройство управления 9, формирующее командную информацию,
принимающее информацию от функциональных блоков и подающее ко-
манды на исполнительные устройства 10 для формирования воздействия
на объект исследования ОИ.
Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех приведен-
ных на рис. 17.5 блоков. Для каждой конкретной системы количество
блоков, состав функций и связи между блоками устанавливаются услови-
ями проектирования. Основные функции средств, формирующих ИИС,
приведены в табл. 17.1.
1R7
Таблица! 7.1
Основные функции средств ИИС
Группа средств Основные функции, выполняемые средствами системы
Сбора информации Непосредственное восприятие информации от объ- екта исследования (контроля, диагностики), в частности, с применением метода сканирования, коммутация и передача по линиям связи к по- следующим элементам структуры
Преобразования информации Преобразование различных физических величин, характеризующих состояние объекта, в электри- ческие неунифицированные (естественные) или унифицированные сигналы Преобразование электрических унифицированных сигналов одного вида в другой Аналого-цифровое преобразование сигналов, несу- щих информацию о характеристике объекта, в кодовые эквивалентные числовые оценки
Измерения Получение количественных значений (оценки) ха- рактеристики объекта в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком-опера- тором
Хранения информации Хранение априорной информации об объекте, необходимой для выполнения операций, связан- ных с вычислительной обработкой результатов аналого-цифрового преобразования
Обработки информации Обработка результатов предшествующих измери- тельных преобразований
Представления информации Представление информации, полученной в резуль- тате АЦ-преобразования или вычислительной об- работки в форме, доступной для непосредствен- ного восприятия человеком-оператором
Формирования воздействия Автоматическое создание дополнительных условий проведения планируемого измерительного экспери- мента над объектом (контроль, диагностика) на основе данных обработки информации об объекте
188
Продолжение табл. 17.1
Группа средств Основные функции, выполняемые средствами системы
Управления системой Организация совместного функционирования средств, образующих систему, в соответствии с заданной программой
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы основные разновидности ИИС?
2. Какие разновидности ИИС по функциональному назначению вы знаете?
3. Приведите классификацию ИИС по входным величинам.
4. Приведите классификацию видов выходной информации ИИС.
5. Каковы основные функции ИИС в соответствии с обобщенной структурой?
ГЛАВА 18. ИНТЕРФЕЙСЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
§ 18.1 . Общие понятия и определения
В настоящее время ИИС находят все более широкое применение в
различных областях науки и техники. Они применяются в качестве компо-
нентов сложных информационно-вычислительных комплексов и систем
автоматизации. Особенно важную роль играют автоматические ИИС, ис-
пользующие ЭВМ для программного управления работой системы.
Возросшие объемы проводимых измерений привели к широкому
использованию программно-управляемых СИ. При этом возросшие требо-
вания к характеристикам СИ оказали существенное влияние на методы
сопряжения устройств, образующих ИИС [2.11,2.15, 2.19] .
Информационно-измерительные системы содержат ряд подсистем;
измерительную, сбора, преобразования, предварительной обработки данных
и подсистемы управления СИ в целом. Все подсистемы в ИИС соединены
между собой в единую систему. Кроме того, ИИС в настоящее время проек-
тируют на основе агрегатного (модульного) принципа, по которому уст-
ройства, образующие систему, выполняются в виде отдельных, самостоя-
тельных изделий (приборов, блоков). В составе ИИС эти устройства выпол-
няют определенные операции и взаимодействуют друг с другом, переда-
вая информационные и управляющие сигналы через систему сопряжения.
Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участ-
вующими в обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс
(interface). Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокуп-
ность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаи-
189
модействие составных элементов ИИС (ГОСТ 15971—74). Устройства
подсоединяются к системе сопряжения и объединяются в ИИС по опреде-
ленным правилам, относящимся к физической реализации сопряжений.
Конструктивное исполнение этих устройств, характеристики вырабатывае-
мых и принимаемых блоками сигналов и последовательности выдавае-
мых сигналов во времени позволяют упорядочить обмен информацией
между отдельными функциональными блоками (ФБ).
Под интерфейсной системой понимают совокупность логических уст-
ройств, объдиненных унифицированным набором связей и предназначен-
ных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной
совместимости. Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаи-
модействия функциональных модулей в соответствии с установленными
нормами и правилами.
Возможны два подхода к организации взаимодействия элементов
системы и построению материальных связей между ними:
жесткая унификация и стандартизация входных и выходных пара-
метров элементов системы;
использование функциональных блоков с адаптивными характерис-
тиками по входам-выходам.
На практике часто сочетают оба подхода. Стандартизация интерфей-
сов позволяет:
проектировать ИИС различных конфигураций;
значительно сократить число типов СИ и их устройств сопряжения;
ускорить и упростить разработку отдельных СИ и ИИС в целом;
упростить техническое обслуживание и модернизацию ИИС;
повысить надежность ИИС-
Применение развитых стандартных интерфейсов при организации
ИИС позволяет обеспечить быструю компоновку системы и разработку
программ управления СИ.
Структурная схема одноуровневой ИИС с интерфейсными узлами
показана на рис. 18.1.
Основной структурной единицей ИИС является функциональный
блок ФБ, который представляет собой один или несколько объединенных
и взаимодействующих между собой измерительных преобразователей.
Взаимодействие ФБ осуществляется через интерфейсные блоки ИБ по
командам, организующим обмен данными. Команды управления форми-
руются в управляющем блоке УБ и воздействуют на интерфейсные блоки
через контроллер (К).
Между ФБ ИИС осуществляется обмен информационными и управ-
Рис. 18.1. Структурная
схема интерфейса:
ФБ - функциональный
блок; ИБ интерфейс-
ный блок; УБ - управ-
ляющий блок; К - конт-
роллер
190
ляющими сообщениями. Информационное сообщение содержит сведения
о значении измеряемого параметра, диапазоне измерения, времени изме-
рения, результатах контроля состояния измерительных каналов и др.
Управляющее сообщение содержит сведения о режиме работы ФБ, поряд-
ке выполнения ими последовательности операций во времени, команде
контроля состояния измерительных каналов.
Интерфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее
распространенные интерфейсы определены международными, государ-
ственными и отраслевыми стандартами. Стандарт (ГОСТ 26016—81 ’’Еди-
ная система стандартов приборостроения. Интерфейсы, признаки клас-
сификации и общие требования”) включает четыре признака классифика-
ции: способ соединения комплектов системы (магистральный, радиаль-
ный, цепочечный, комбинированный); способ передачи информации (па-
раллельный, последовательный, параллельно-последовательный); принцип
обмена информацией (асинхронный, синхронный); режим передачи ин-
формации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя пооче-
редная передача, односторонняя передача).
Указанные признаки позволяют характеризовать только определен-
ные аспекты организации интерфейсов.
Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут
быть выполнены при условии классификации по нескольким совокупнос-
тям признаков: функциональному назначению, логической функциональ-
ной организации и физической реализации. Разновидности интерфейсов
по совокупностям признаков сведены в табл. 18.1.
Таблица 18.1
Разновидности интерфейсов
Область распространения Наименование интер- Примечание
интерфейса фейса
Машинные интерфейсы 1 Предназначены для организа- ции связей между составны- ми компонентами ЭВМ, ВК, ВС, т. е. непосредственно для их построения и связи с внеш- ней средой
Интерфейсы ввода-вывода ЭВМ с раздельными инфор- мационными каналами к УВВ и ОЗУ Unibus ВК - вычислительный комп- лекс ВС - вычислительная система УВВ - устройство ввода-вывода
(СМ-3, СМ-4, ’’Электроника Unibas ОЗУ - оперативное запоминаю-
100-25, ’’Электроника 60”, ’’Электроника НЦ-80”) Общая шина щее устройство 191
Продолжение табл. 18.1
Область распространения интерфейса Наименование интер- Примечаниеч фейса
Интерфейсы магистрально-модульных систем
Системы с раздельными ши- нами адреса и данных интер- фейса Системы с совмещенными ши- нами адреса и данных интер- фейса Multibus И41 СМ КАМАК СОМРЕХ Eurobus Fastbus
Интерфейсы периферийного оборудования
Локальные УВВ Локальные и удаленные УВВ Магнитные диски Магнитные ленты ИРПР (интерфейс ра- Системы сопряжения для стан- диальный параллель- дартной периферии, а также ный) со многими цифровыми изме- ИРПС (радиальный рительными приборами, преоб- последовательный) разователями информации, ге- ИКМД, НГМД нераторов, датчиков, пультов ИИМЛ, ИКМЛ оператора, внешних запоминаю- щих устройств
Интерфейсы распределенных систем управления
Научные исследования Технологические процессы SHCAMAC, ПМ, Предназначены для интеграции САМАС средств обработки информации, Pronag, ИЛПС2 размещенных на значительном
расстоянии
К основным характеристикам интерфейса относятся следующие:
функциональное назначение; структура или тип организации связей;
принцип обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена
данными; номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество
линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; «
быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; I
тип линии связи. I
Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществля- |
ется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут 1
объединяться в группы для выполнения одной из операций в программно- I
управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются 1
шинами интерфейса. Назначение отдельных линий и шин, их номенклатура ;
и взаимное расположение в системе (топологии) являются базовыми 1
при рассмотрении функционирования любого интерфейса. j
В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-
управляющих вычислительных системах (МП ИУВС) распространены
192
асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом
передачи информации: 8-разрядные интерфейсы Microbus; 16-разрядные
интерфейсы общая шина (Unibus), Microbus, интерфейс микроЭВМ ’’Элек-
троника 60” (Q-bus, LSI-11).
Для связи’датчиков информации, исполнительных элементов, терри-
ториально удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в МП
ИУВС применяют интерфейсы периферийных устройств. В таких интер-
фейсах используются как параллельный, так и последовательный спосо-
бы обмена информацией. При этом последний по причине существенного
упрощения собственно линии связи, а следовательно, и снижения стои-
мости наиболее предпочтителен, если при этом обеспечивается необходи-
мая скорость передачи информации.
В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных
ИУВС, отдельные микропроцессоры Или устройства ввода-вывода кото-
рых могут отстоять друг от друга территориально на сотни метров (на-
пример, заводская или цеховая ИУВС), все более широко применяются
системные интерфейсы или интерфейсы локальных сетей. Системный
интерфейс, как правило, имеет многоуровневую архитектуру (совокуп-
ность) аппаратных и программных средств.
Из зарубежных локальных сетей наиболее известны DEC net фирмы
’’Digital Equipment Corp”, z-net фирмы ’’Zilog Inc”, сеть фирмы IBM, Om
minet фирмы ’’Corvus Inc” и др.
При построении ИИС, согласно ГОСТ 22316—77, должны применяться
следующие структуры соединения функциональных блоков между собой:
цепочечное соединение, при котором единственный выход предшест-
вующего блока соединен с единственным входом последующего блока,
так что соединенные блоки образуют цепь;
радиальное соединение, при котором один блок соединен одновремен-
но с несколькими блоками, причем с каждым из них отдельной независи-
мой линией;
магистральное соединение, при котором входы и (или) выходы
сопрягаемых блоков соединены одной общей линией.
В цепочечной структуре (рис. 18.2, а) каждая пара источник—прием-
ник соединена попарно линиями от выходов предыдущих ФБ ко входам
последующих, обмен данными происходит непосредственно между бло-
ками или приборами. Функции управления распределены между этими
устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как пра-
вило, в несложных системах с несколькими функциональными уст-
ройствами.
В системе, выполненной по радиальной структуре (рис. 18.2, ^.име-
ется центральное устройство — контроллер, с которым каждая пара ис-
точник-приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Бло-
ки и приборы, подключаемые к контроллеру, могут изменять свои места
при соответствующем изменении программы работы контроллера. Под
управлением контроллера происходит обмен данными между каждым
устройством и контроллером. Связи между управляющим устройством
6) __________________________________________________________________
Рис. 18.2. Разновидности структур схем интерфейса
и одним из устройств-источников или приемников сигналов может осу-
ществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе уст-
ройств (абонентов). В последнем случае одно из устройств вырабатывает
сигнал запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запраши-
ваемое устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически
подключаются цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются
подключенными, пока не будет передана нужная порция информации.
Контроллер может производить обмен данными только с одним из
устройств. В случае одновременного поступления запросов от двух и
более абонентов по системе приоритетов будет установлена связь с уст-
ройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается
приборам и блокам в зависимости от их типа, технических характерис-
тик и важности поступающей информации. В интерфейсах с радиальной
структурой чаще всего приоритет зависит от места подключения кабеля,
соединяющего абонент (ФБ) с контроллером.
Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточ-
но просто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуе-
мого ФБ.
194
К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую дли-
ну соединительных jjhhhh, а также сложность контроллера, что приводит
к увеличению стоимости ИС.
В системах с магистральной структурой (рис. 18.2, в) вместо группы
индивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым подсоеди-
няются все источники и приемники информации и контроллер.
Для магистрали характерна доступность ко всем блокам, подключен-
ным к интерфейсу. Однако в каждый момент времени только один из
источников и один из приемников могут быть связаны с интерфейсом.
Связь между блоками устанавливается как по инициативе самих бло-
ков, так и по инициативе контроллера. В первом случае устройство, требую-
щее связи, посылает в магистраль запрос на обслуживание. Если интер-
фейс свободен и устройство получает сигнал разрешения на связь, то оно
вырабатывает или направляет в интерфейс сигналы, адресованные тому
устройству, которое должно принять эти данные (или выдать данные).
При этом устанавливается связь между источником и приемником инфор-
мации и затем осуществляется передача данных.
Установление сеанса связи между источником и приемником и управ-
ление обменом данными осуществляется контроллером. Измерительная
информация в магистрали в отличие от радиального интерфейса поступает
от источника данных в приемник, минуя контроллер. В некоторых магист-
ральных интерфейсах контроллер вообще отсутствует, а функции конт-
роллера распределены между блоками и приборами.
В магистрали также возможны одновременные запросы на связь от
двух устройств и более. Поэтому необходимо задание приоритетов, в
соответствии с которыми контроллер сортирует требования на передачу
данных и разрешает связь устройству с наибольшим приоритетом.
Система индивидуальных шин радиального интерфейса является,
как видно из сравнения, более надежной по сравнению с коллективной
системой шин магистрали. Кроме того, в радиальном интерфейсе более
просто устанавливается связь между устройствами. Однако малые затра-
ты на оборудование (кабели, разъемы) делают магистральные структуры
интерфейса более предпочтительными при организации связи в системе
с большим числом устройств.
Для уменьшения недостатков, присущих радиальному и магистраль-
ному способам организации шин интерфейса, часто применяют комбини-
рованную систему индивидуальных и коллективных шин. Такая органи-
зация структуры шин позволяет повысить быстродействие интерфейса
и уменьшить длину кабелей связи.
По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на па-
раллельные, последовательные и параллельно-последовательные. При
параллельной передаче цифровых данных численное значение величины,
содержащее иг битов, транслируют по т информационным линиям. Это
сообщение одновременно и полностью может быть введено в интерфейс,
а также воспринято приемником. Интерфейсные устройства параллель-
ного ввода-вывода информации позволяют согласовать во времени процесс
обмена данными между ЭВМ и периферийным устройством.
195
В качестве примера параллельного интерфейса микроЭВМ можно
привести интерфейс программируемого устройства параллельного ввода-
вывода информации различного формата КР 580ВВ 55. Микросхема поз-
воляет осуществлять обмен 8-разрядными данными по трем каналам.
Направление обмена и режим работы для каждого канала задается про-
граммно. Каналы служат для передачи данных и управляющих сигналов
[2.19] .
Отметим в качестве примера, что для системы малых ЭВМ исполь-
зуется интерфейс параллельно-радиальный ( ИНПР).
При последовательно-параллельной передаче данные состоят из сим-
волов, каждый из которых содержит I битов. Трансляцию данных произ-
водят посимвольно, а символы воспринимаются затем приемником по-
следовательно. Чтобы передать слово из т битов, необходимо к таких
последовательных посылок, где к-m/l (I — число битов в каждом
символе).
В последовательном интерфейсе данные в цифровом виде передаются
по одной информационной шине, а по другой — тактовые сигналы, что
существенно снижает количество связей в периферийной части систем.
Тактовые импульсы идут непрерывно; отсутствие в этот момент информа-
ционного импульса соответствует сигналу 0, а наличие импульса — сигна-
лу 1. Данные могут прямо вводиться (или выводиться) в контроллер,
для чего необходима разработка программных модулей приема и преоб-
разования форматов данных с соответствующей синхронизацией. Для
рациональной работы микроЭВМ при обмене данными в последовательном
коде в микропроцессорные комплекты входят специальные микросхемы
преобразователей форматов данных. В частности, в микропроцессорный
комплект серии К580 входит микросхема универсального синхронно-
асинхронного программируемого приемопередатчика КР580 В51. Схема
позволяет организовать двунаправленный обмен данными между микро-
ЭВМ и периферийным устройством в различных режимах. Для примера
укажем на возможность использования ИРПС.
Формат последовательных информационных сигналов приведен на
рис. 18.3. Началу передачи цифровой информации в линию связи пред-
шествует сигнал ’’старт” (бит ”0”). Затем следует посылка битов слов
данных от 5-го до 8-го разрядов. На рис. 18.3 приведен формат 8-разряд-
Рис. 18.3. Формат последовательности инфор-
мационных сигналов
ного кода. Для проверки
правильности передачи инфор-
мации используется одна из
двух проверок на признак:
четность или нечетность. По-
сылка завершается одним или
двумя стоповыми битами,
всегда имеющими значение
”1 ”. Введение сигналов
СТАРТ и СТОП в кодовую
посылку позволяет осущест-
196
вить синхронизацию "приемника и передатчика и правильно интерпрети-
ровать сигналы данных. Интерфейс последовательного типа применяется
для соединений большой протяженности и при передаче данных с малой
скоростью. Скорость определяется числом передаваемых символов в
секунду (1/Т) либо числом битовых посылок в секунду (1/т).
По режиму обмена информацией различают интерфейсы с симплекс-
ным, полудуплексным, дуплексным и мультиплексным режимами обмена.
В симплексном режиме только один из двух абонентов может иници-
ировать в любой момент времени передачу информации по интерфейсу
(рис. 18.4, с).
При полудуплексном режиме любой из двух абонентов может начать
передачу информации другому, если линия связи интерфейса при этом
оказывается свободной (рис. 18.4,6).
Для случая связи двух абонентов в дуплексном режиме каждый або-
нент может начать передачу информации другому в произвольный мо-
мент времени (рис. 18.4,в).
В случае связи нескольких абонентов в мультиплексном режиме в
каждый момент времени связь может быть осуществлена между парой
абонентов в любом, но в единственном направлении от одного из абонен-
тов к другому (рис. 18.4,г).
По способу передачи информации во времени различают интерфей-
сы с синхронной передачей данных (с постоянной временной привязкой
в цикле сбора информации) и с асинхронной (без постоянной времен-
ной привязки).
При синхронной передаче данных синхронизирующие сигналы задают
определенный временной интервал, в течение которого считывается инфор-
мация с одного датчика первичной информации. Временной интервал
в данном случае определяется наибольшей длительностью задержки в
системе передачи данных и максимальным временем преобразования из-
меренного сигнала в цифровой код.
Асинхронная передача данных характеризуется наличием управляю-
щих сигналов: ГОТОВНОСТЬ К ОБМЕНУ, вырабатываемых датчиком
Абонент
А
Абонент
А
Абонент
Б
Абонент
А
Абонент
Б
* Абонент
- Б
1)
Рис. 18.4. Передача информации по интерфейсу:
а - симплексный режим; б - полудуплексный режим; в - дуплексный режим;
г — мультиплексный режим
197
исходной информации, и НАЧАЛО ОБМЕНА, КОНЕЦ ОБМЕНА, КОН-
ТРОЛЬ ОБМЕНА, вырабатываемых контроллером при сборе информации.
При такой организации обмена автоматически устанавливается рациональ-
ное соотношение между скоростью передачи данных и временем задержки
сигналов в каналах связи. Сигнал КОНТРОЛЬ ОБМЕНА является резуль-
татом решения задачи обнаружения сбоя в процессе передачи и обеспечи-
вает распознавание сигнала помехи в канале передачи.
При синхронной передаче данных по сравнению с асинхронной более
эффективно используется канал. При асинхронной передаче достигается
лучшая помехоустойчивость. В интерфейсах ИИС применяют в основном
асинхронный метод передачи, обеспечивающий возможность передачи
данных с любой скоростью, а также простоту сопряжения приборов и
блоков с разным быстродействием. Важно и то, что в синхронном интер-
фейсе могут работать только устройства-приемники, способные принимать
данные в любое время, задаваемое источником.
В ИИС и ее отдельных подсистемах в зависимости от предъявляемых
требований могут также применяться следующие режимы обмена дан-
ными между функциональными блоками (ГОСТ 22316—77):
асинхронный или синхронный по командам функционального блока,
принимающего данные, или специализированного управляющего функ-
ционального блока (контроллера);
асинхронный или синхронный по запросу функционального блока,
выдающего данные;
асинхронный или синхронный, при котором данные выдаются источ-
ником самостоятельно, без поступления внешних команд.
Классификация свойств функциональных блоков, определяющих
правила взаимодействия, обобщена на рис. 18.5.
Интерфейс может включать в себя адресные линии, линии данных,
линии управления, синхронизации, контроля и оповещения. Состав и коли-
чество линий определяют возможные режимы передачи информации.
Сообщения, передаваемые по интерфейсу, можно разделить на две
основные группы — связанные с выполнением измерений (приборные
функции) и необходимые для осуществления процесса передачи данных
(выполнения интерфейсных функций). К первой группе относятся инфор-
мационные и командные сигналы, необходимые для функционирования
прибора как измерительного устройства. Информационные сигналы пере-
даются по информационной шине и используются для представления чис-
ленных значений. Командные сигналы настраивают приборы или блоки
на выполнение определенных операций, задают режим работы, изменяют
основные характеристики приборов (например, чувствительность, диапа-
зон измерения, время усреднения и др.), воздействуют на органы управ-
ления приборов и т.д.
Сообщения информационного потока должны содержать все сведе-
ния (за исключением априорно известных и неизменяющихся в процессе
получения информации), необходимые для оценки значения измеряемого
параметра и определения информационных характеристик.
198
Неуправляемые (не требующие внеш-
них команд дня перед очи сообщений)
Управляемые ( выдающие сообщения
после получения соответствующих
команд)
Управление об-
меном ванными
Пассивные (не формирующие сигна- лы запроса связи) Способность установления связи
Активные (формирующие сигналы Запроса связи)
Выдающие данные непосредственно после исполнения команды Режим выдачи
Выдающие ванные после исполнения команды с фиксированной задержкой данных
В биде сообщении информационного пс- тока без использования дополнитель- ных цепей Способ пере- дачи сигналов
контроль банных по модулю в параллельно индюомаиионноми потоки пс отдельной иепи контроля Фб
сигнал неисправности о оку по атаель- ной контрольной лепи
Рис. 18.5. Классификация свойств функциональных блоков ин-
терфейса
Сообщения информационного потока должны при необходимости
содержать также вспомогательные сведения; например, сообщения о
калибровочных сигналах и результатах тестового контроля функцио-
нальных блоков, специальные сообщения, применяемые в ИИС для слу-
жебных целей. Сообщения управляющего потока должны содержать все
сведения, определяющие режимы работы функциональных блоков и
выполнение ими требуемых операций в заданной временной последова-
тельности.
Управление работой интерфейса осуществляется адресными коман-
дами, командами сопряжения и общего управления. Адресные команды
передаются по адресной шине.
Команды сопряжения и общего управления интерфейсом организуют
связь между устройствами, обменивающимися информацией, обеспечивают
согласование работы устройств в процессе обмена данными. Это осущест-
вляется с помощью управляющих и известительных сигналов. К управляю-
щим сигналам относятся сигналы запроса на обслуживание, команды очист-
ки интерфейса, приема и выдачи данных, выборки и др.
В ответ на управляющие сигналы устройствами вырабатываются из-
вестительные сигналы об установлении связи, готовности устройства к
приему или выдаче данных, о принятии данных, о наличии ошибок в счи-
танной информации.
Команды могут передаваться по информационной шине. В этом слу-
чае вводится дополнительный служебный сигнал идентификации. Напри-
мер, наличие сигнала в линии идентификации интерпретируется как ко-
манда, а отсутствие сигнала — как данные.
В некоторых интерфейсах по информационной шине передается ад-
рес. В этом случае также вводится дополнительная линия идентификации
сигнала.
Значительно сократить количество линий в интерфейсе позволяет
разделение во времени функционального назначения одних и тех же шин
(мультиплексирование шин). Однако при этом снижается скорость пере-
дачи данных, усложняется программа передачи, увеличивается количест-
во оборудования в каскадах сопряжения, размещаемых в приборах и
блоках.
В зависимости от количества линий, по которым передаются коман-
ды, их разделяют на одно-и много проводные. Однопроводные команды
поступают по отдельной линии, а многопроводные передаются одновремен-
но по двум линиям и более.
Информационные и управляющие сообщения могут быть классифи-
цированы по форматам.
Формат информационного слова (рис. 18.6). В информационной части
ИЧ слова содержится результат измерения. Размер ИЧ слова определяется
видом измеряемого параметра и требуемой точностью измерения.
В сопроводительной части СЧ слова могут содержаться сигналы сос-
тояния, адреса, диапазона измерения, идентификатора вида информации.
Сопроводительная часть слова может последовательно наращиваться или
200
Рис. 18.6. Формат инфор-
мационного слова:
СЧ — сопроводительная
часть формата; ИЧ -
информационная часть
Формат информационною слаба,
СЧ ич
Полная длина слада
переформировываться при прохождении слова по измерительному тракту.
Все разделы одного слова должны быть расположены непосредствен-
но друг за другом. Все элементы слова должны передаваться старшим
разрядом вперед. Полная длина слова на выходе источника должна сос-
тавлять от 4 до 32 бит и соответствовать ряду: 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28,
32. Неиспользуемые разряды слова должны располагаться со стороны
младших разрядов.
Формат временного слова. Для передачи сигналов времени, несущих
информацию, необходимую для привязки значений параметров к опреде-
ленным моментам времени, используется временное слово.
Во временном слове должен быть код текущего времени в одной
из следующих структур:
секунды и доли секунд в двоичном коде;
секунды и доли секунд в двоично-десятичном коде;
доли секунд, секунды, десятки секунд, минуты, десятки минут, часы,
десятки часов в двоично-десятичном коде.
Размеры и правила передачи временного слова соответствуют требо-
ваниям формата информационного слова.
Формат адресного слова. В адресное слово входит условный номер
измеряемого параметра и (или) точки пространства. Размер адресного
слова на входе и выходе любого функционального блока должен быть
не более 16 бит. Остальные требования к размерам и правила передачи
адресного слова соответствуют требованиям информационного слова.
Формат командного слова (рис. 18.7). Командное слово передается
в приведенной последовательности. Командное слово может состоять из
нескольких частичных слов, каждое из которых может содержать коман-
ды, адресованные одному из функциональных блоков, последовательно
расположенных по каналу передачи командного слова.
Начальный адрес Ао включается в состав командного слова только
Рис. 18.7. Формат командного слова:
А - адрес команды; К — команда; Р — расширитель
команд; Ао — начальный адрес; £к - полная дли-
на слова
АКР
201
при магистральной структуре канала передачи командных слов.
Полная длина LK командного слова на входе управляемого функцио-
нального блока должна составлять не более 16 бит и выбирают ее из зна-
чений ряда: 4,8,12,16.
Интерфейсные команды могут быть универсальными и адресованными.
Универсальные команды воспринимаются всеми устройствами, связан-
ными с интерфейсом, и заставляют каждый прибор и блок, способный
выполнять операцию, осуществить ее. Адресованные команды воспри-
нимаются только теми приборами, с которыми была организована связь.
Во многих случаях интерфейс содержит также шины питания функ-
циональных блоков и линии сигнализации о состоянии источника питания.
Канал передачи данных ИИС может также Иметь линию для передачи
аналоговых сигналов, параметры которых (амплитуда, форма, время
появления) подлежат измерению.
§ 18.2 . Интерфейсные функции
Основные функции интерфейса заключаются в обеспечении информа-
ционной, электрической и конструктивной совместимости между функ-
циональными элементами системы [2.43] .
Информационная совместимость — это согласованность взаимодей-
ствий функциональных элементов системы в соответствии с совокупностью
логических условий. Логические условия определяют:
структуру и состав унифицированного набора шин;
набор процедур по реализации взаимодействия и последовательности
их выполнения для различных режимов функционирования;
способ кодирования и форматы данных, команд, адресной информации
и информации состояния;
временные соотношения между управляющими сигналами, ограниче-
ния на их форму и взаимодействие.
Логические условия информационной совместимости определяют
функциональную и структурную организацию интерфейса и для большин-
ства интерфейсов стандартизируются. Условия информационной совмес-
тимости определяют объем и сложность схемотехнического оборудования
и программного обеспечения, а также основные технико-экономические
показатели (пропускную способность и надежность интерфейса).
Электрическая совместимость — это согласованность статических и
динамических параметров передаваемых электрических сигналов в системе
шин, с учетом используемой логики и нагрузочной способности элементов.
Условия электрической совместимости определяют:
тип приемопередающих элементов;
соотношение между логическим и электрическим состояниями сигна-
лов и пределы их изменения;
коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих эле-
ментов;
схему согласования линии;
202
допускаемую длину линии и порядок подключения линий к разъемам;
требования к источникам и цепям электрического питания;
требования к помехоустойчивости и заземлению.
Условия конструктивной совместимости определяют:
типы соединительных элементов (разъем, штекер);
распределение сигналов интерфейса по контактам соединительных
элементов;
типу конструкции платы, каркаса, стойки;
конструкции кабельного соединения.
Выполнение информационных электрических и конструктивных усло-
вий интерфейса необходимо, но не достаточно для взаимного сопряжения
устройств и обмена данными между ними. Эти устройства должны выпол-
нять в определенной последовательности операции, связанные с обме-
ном информаций: распознавать адрес сообщения, подключаться к линиям
интерфейса, передавать сообщение в интерфейс, принимать его из интер-
фейса и др.
Интерфейсные функции отличаются от приборных, связанных непо-
средственно с проведением измерения, т. е. с преобразованием данных,
их накоплением, первичной обработкой, представлением и др.
Интерфейсные функции обеспечивают совместимость друг с другом
различных приборов, не ограничивая работоспособность других приборов
в системе. Функции, которые устройства выполняют чаще всего, называют-
ся основными. К ним относятся:
выдача и прием информации (выполняются источниками и приемни-
ками информации);
управление передачей данных (функция контроллера);
согласование источника информации (выполняется устройством-
источником или контроллером);
согласование приемника информации (выполняется устройством-
приемником или контроллером).
Функции контроллера может выполнять не только одно, но и несколь-
ко устройств в системе.
Основные функции интерфейса, которые необходимо реализовать
для обеспечения информационной совместимости, определяются функ-
циональной организацией интерфейса. На канал управления возложены
функции селекции информационного канала, синхронизации обмена ин-
формацией, координации взаимодействия, а на информационный канал
возлагаются функции буферного хранения информации, преобразования
формы представления информации и др.
Селекция, или арбитраж, информационного канала обеспечивает одно-
значность выполнения процессов взаимодействия сопрягаемых элементов
системы.
Анализ возможных вариантов реализации способов селекции уст-
ройств на информационной магистрали позволяет выделить следующие
операции селекции: инициирование запроса, выделение приоритетного
запроса, идентификация запроса.
203
Инициирование запроса включает в себя процедуры выдачи, хране-
ния и восприятия запроса на организацию процесса взаимодействия. Сиг-
налы запроса могут храниться в регистре управляющего блока (радиаль-
ная структура шины запроса) или на отдельных триггерах каждого интер-
фейсного блока (магистральная структура шины запроса).
Функция выделения приоритетного запроса осуществляется на основе
анализа сигналов занятости информационного канала, разрешения прио-
ритетного прерывания, запроса источника сообщения и зависит от числа
уровней приоритета.
Идентификация запроса заключается в определении адреса приори-
тетного источника запроса. В машинных интерфейсах получаемая при
запросе адресная информация называется вектором прерывания. Послед-
ний обозначает начальный адрес программы обслуживания прерывания
от данного устройства.
Функция синхронизации определяет временное согласование процес-
сов взаимодействия между функциональными устройствами системы.
Функция координации определяет совокупность процедур по орга-
низации и контролю процессов взаимодействия устройств системы. Ос-
новными операциями координации являются настройка на взаимодей-
ствие, контроль взаимодействия, передача функций управления (на-
стройки) .
В момент обращения одного устройства к вызываемому последнее
может находиться в состоянии взаимодействия или в нерабочем состоя-
нии. Поэтому процессы взаимодействия элементов системы могут иметь
два уровня конфликтных ситуаций при доступе: к информационному
каналу интерфейса и к устройству системы. Таким образом, операция
настройки включает процедуры опроса и анализа состояния вызывае-
мого устройства, а также передачи команд и приема информации сос-
тояния. Последовательность операций настройки может быть различной
и зависит от сложности алгоритмов работы функциональных устройств
системы. В большинстве случаев алгоритмы настройки дополняются про-
граммным способом посредством передачи кодов команд и состояний по
информационной шине.
Операции контроля направлены на обеспечение надежности функцио-
нирования интерфейса и достоверности передаваемых данных. В процес-
сах асинхронного взаимодействия возможно возникновение так называе-
мых тупиковых ситуаций, приводящих к искажениям кодовых комби-
наций передаваемых данных. Поэтому в операции контроля входят раз-
решение тупиковых ситуаций асинхронного процесса взаимодействия и
повышение достоверности передаваемых данных. Контроль тупиковых
ситуаций взаимодействия основывается на измерении фиксированного
интервала времени, в течение которого должно поступать ожидаемое асин-
хронное событие. Если за контролируемый интервал времени событие
не поступает, то фиксируется неисправность. Операция контроля тупико-
вых ситуаций получила название ’’тайм-аут”.
Контроль передаваемых данных основывается на использовании кодов,
204
построенных на известных принципах избыточного кодирования инфор-
маций (циклические коды, код Хеминга, контроль кодов на четность
идр-Х
В Делях повышения надежности управления и эффективности исполь-
зований составных элементов системы необходима передача функции
координации между функциональными устройствами. Эта операция пере-
дачи управления характерна для интерфейсов с децентрализованной струк-
турой управления.
Повышение надежности достигается резервированием управления
(при отключении питания или отказе интерфейсного модуля, выполняю-
щего функции управления интерфейсом).
Повышение эффективности использования оборудования системы
достигается исключением дублирования дорогостоящих устройств путем
доступа к ним с разделением времени двух и более контроллеров и ЭВМ.
Информационный канал интерфейса предназначен для реализации
функции обмена и преобразования информации.
Основными процедурами функции обмена является прием и выдача
информации (данных, состояния, команд, адресов) регистрами состав-
ных устройств системы. Основные процедуры функции преобразования
следующие: преобразование последовательного кода в параллельный
и наоборот; перекодирование информации; дешифрация команд, адресов;
логические действия над содержимым регистра состояния.
§ 18.3 . Приборные интерфейсы
Проектирование ИИС выполняется на основе модульного принципа
построения, что привело к необходимости разработки правил, регламен-
тирующих основные требования к совместимости этих блоков. Данный
принцип впервые был применен в области ядерно-химических измерений,
где требуется сложная аппаратура с высокой степенью автоматизации и
активным использованием ЭВМ для контроля, управления, сбора и пер-
вичной обработки данных. Поэтому именно в этой области впервые про-
ведена стандартизация на правила сопряжения блоков.
В США для модулей (блоков) ядерной электроники с транзистор-
ными схемами в 1966 г. был принят стандарт NIM (Nuclear Instrument
Module). В нем установлены механические и электрические требования
к блокам. Этот стандарт впоследствии получил распространение в странах
Западной Европы. Указанный стандарт позволил осуществить обмен дан-
ными модульных блоков с ЭВМ. Следует отметить, что такие понятия,
как канал передачи данных и интерфейс, процесс обмена данными и др.,
были перенесены из вычислительной в измерительную технику.
Реализация принципов программного управления работой ИИС при-
вела к развитию приборных систем; разработки интерфейсов для них
появились на рубеже 60 — 70-х годов. Приборные интерфейсы служат
для компоновки различных комплексов из стандартных измерительных
приборов, устройств ввода-вывода и управляющих устройств.
205
Фирма ’’Philips” разработала систему сопряжения Partyline — System,
предназначенную для объединения в ИИС до 15 приборов. С помощью
стандартного кабеля приборы последовательно соединяются друг £ дру-
гом (в произвольном порядке) и с ЭВМ. Дня этого в каждом приборе
имеются два разъема, соединенные между собой одноименными контак-
тами. Каждый прибор содержит специальное устройство согласования из-
мерительного оборудования с интерфейсом.
Построение интерфейса осуществляется по магистральному принци-
пу для передачи цифровых сигналов. Информация передается по шести
шинам: адресной (4 линии), измерительной (5 линий), управления (4
линии), а также по шинам синхронизации, диагностики операций и пере-
дачи команд печати (все по одной линии). Стандартный кабель содержит
шесть соединительных линий. Каждому прибору (измерительному блоку)
присваивается свой адрес, представленный четырьмя разрядами двоичного
кода. Передача данных производится в параллельно-последовательном ви-
де (в двоичном коде). Под действием управляющих сигналов выходная
информация последовательно передается с декад на линии интерфейса
(измерительную шину). По этим же линиям передается кодированная
информация, а также полярность измеряемых величин, режим работы
и др.
Фирмой ’’Siemens” разработана система сопряжений Pegamat — Sys-
tem. Здесь имеет место кольцевая схема соединения приборов, а про-
движение информации осуществляется в одном направлении (каждый
прибор принимает поступающую информацию и выводит ее далее). Соеди-
нение приборов производится с помощью стандартного кабеля, содержа-
щего две шины (12 линий). По одной шине (4 линии) передаются данные
и код команд, а по другой (8 линий) — адрес. Восьмиразрядные двоично-
кодированные адресные сообщения позволяют направлять данные к 256
абонентам.
Фирмой ’’Hewlett-Packard” (США) также разработан интерфейс для
программно-управляемой передачи данных в системе, образованной из
измерительных приборов, устройств ввода-вывода и управления. В СССР
с 1981 г. на ’’Приборный интерфейс” введен ГОСТ 26.003—80.
Интерфейс Hewlett-Packard (НР-1В) был разработан для ИИС с об-
меном цифровыми данными. Интерфейс обеспечивает объединение различ-
ных измерительных приборов, периферийного оборудования и ЭВМ
[2.35] .
Магистраль приборного интерфейса с подключенными к ней прибо-
рами приведена на рис. 18.8. Магистраль взаимосвязи системы состоит
из 16 сигнальных линий, сгруппированных по функциональному признаку
в три шины: информационную, передачи (идентификации и синхрониза-
ции), общего управления интерфейсом. К этим линиям подсоединяются
приборы, которые по отношению к магистрали равноправны. В каждый
момент времени прибор может выполнять функции источника {ПИ) и
приемника {ПП) информации либо контроллера или быть в резерве. Конт-
роллер управления потоком информации в магистрали устанавливает,
206
Рис! 18.8. Магистраль приборного интерфейса:
ПИ - прибор-источник, ПП — прибор-приемник
какой ив приборов должен быть источником посылки информации по
магистрали, а какой — приемником этой информации. Интерфейсные функ-
ции моГут быть произвольно распределены между приборами, входя-
щими в Систему, а также совмещены в конкретных приборах. Здесь соеди-
нительная магистраль (шина) является полностью пассивной, т. е. все
сигналы вырабатываются в приборах. Сочетание активных цепей прибо-
ров и шины составляет собственно интерфейс.
Вся информация и команды (в том числе адресные) передаются по
восьми линиям информационной шины DIO (DATA INPUT OUTPUT).
Передача осуществляется по шине в оба направления, асинхронно, парал-
лельно в двоичном коде по восемь разрядов и последовательно по байтам.
Шина переноса используется для управления передачей каждого бай-
та сообщения по трем линиям: DAV (DATA VALID) — информация досто-
верна; NRED (NOT READY FOR DATA) — неготовность к приему ин-
формации; ND AC (NOT DATA ACCEPTED) - информация не принята.
Таким образом, описанная выше шина предназначена длй согласова-
ния готовности источника или контроллера к передаче информации с
готовностью приемника.
Шина общего управления интерфейсом (пять сигнальных линий) ис-
пользуется контроллером. Контроллер посылает команды в магистраль,
они воспринимаются источником и приемником.
Линия ATN (ATTENTION) — ВНИМАНИЕ указывает, как следует
интерпретировать данные, поступающие по шине DIO, как интерфейсную
команду или как содержательное сообщение.
Линия IFC (INTERFECE CLEAR) - ОЧИСТИТЬ ИНТЕРФЕЙС указы-
вает на установку узлов приборов в исходное состояние.
Линия SRQ (SERVICE REQUEST) - ЗАПРОС НА ОБСЛУЖИВАНИЕ,
207
вырабатывается источником или приемником и указывает на необходи-
мость организации с ним связи для обмена информацией. /
Линия REN (REMOTE ENABLE) - РАЗРЕШЕНО ДИСТАНЦИОННОЕ
УПРАВЛЕНИЕ (вместо управления от внутренних узлов устройства) /
Линия EOT (END OR IDENTIEY) - КОНЕЦ ИЛИ ИДЕНТИФИКАЦИЯ,
вырабатывается источником, чтобы отметить конец многобайтногр сооб-
щения. I
Принцип работы приборного интерфейса следующий. При появлении
информации от источника к приемнику работа обоих приборов координи-
руется. сигналами по линиям шины синхронизации. При этом цикл переда-
чи информации состоит из четырех фаз:
источник выставляет информационный байт;
источник выставляет сигналы на шине синхронизации;
приемник принимает информацию;
приемник подготавливается к приему нового байта информации.
Контроллер осуществляет адресацию приборов, используя (семь из
восьми линий шины DIO (свободна линия старшего разряда DIQ8). Поэ-
тому в качестве контроллера используется устройство, работающее в
семиразрядном коде ASCII. При наличии сигнала на линии ATN сообще-
ние, поступающее на прибор с интерфейсной шины, воспринимается как
команда; в противном случае - сообщение интерпретируется как содер-
жательное (не интерфейсное).
Приборный интерфейс имеет следующие ограничения: число прибо-
ров не более 15, максимальная допустимая длина кабеля связи - 20 м,
максимальная скорость передачи по магистрали — 1 Мбайт/с.
Логические уровни сигналов выбраны из расчета применения интег-
ральных схем ТТЛ (высокий уровень — не менее 2,4 В, низкий — не более
0,8 В). Нагрузкой каждой сигнальной линии является внутреннее сопро-
тивление каждого прибора не более 3 кОм, подключенное к шине + 5 В,
и резистор 6,2 кОм, подключенный к шине ’’земля” схемы. Кодирование
информации, как следует из конструкции магистрали, ведется по байтам.
Схемы интерфейса программно-управляемых приборов выполняют-
ся в двух вариантах:
в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри
прибора как его составная часть, с установкой стандартного разъема на
задней панели прибора; этот вариант применяется преимущественно в
новых приборах, выпускаемых по стандарту МЭК;
в виде отдельно выполненных интерфейсных модулей, подключаемых
к серийно выпускаемым или находящимся в обращении цифровым при-
борам и устройствам; эти модули по существу являются адаптерами,
т. е. переходными устройствами между выходом прибора и стандартным
входом в магистраль приборного интерфейса.
Пример ИС с обработкой данных и отображением результатов на дис-
плее и графопостроителе, выполненной на основе использования при-
борного интерфейса, приведен на рис. 18.9.
Приборный интерфейс широко применяется как в отечественной
208
Рис. 18.9. Структура ИС с магистралью приборного интер-
фейса:
ИП — измерительный прибор; ИМ - интерфейсный модуль
промышленности, так и зарубежными фирмами при построении ИИС
для автоматизации эксперимента. Из имеющихся непрограммируемых
приборов, не подготовленных для совместной работы, приборный интер-
фейс позволяет создавать ИС путем использования относительно неслож-
ных устройств сопряжения — интерфейсных плат и микроЭВМ в качестве
контроллера системы.
§ 18.4 . Интерфейс КАМАК
Система КАМАК разработана для ядерно-физических исследований.
Впоследствии она использовалась также для автоматизации лаборатор-
ных и производственных измерений во многих областях науки и техники.
КАМАК представляет собой целую систему модулей, объединенных
единым интерфейсом и едиными конструктивными параметрами, пред-
назначенную для сбора, накопления, преобразования и обработки измери-
тельных и управляющих сигналов в ИИС, работающей ”на линии” с ЭВМ
в реальном масштабе времени с допустимыми задержками порядка мик-
росекунды.
Основными особенностями системы КАМАК согласно ГОСТ 26.201—80
являются:
модульный принцип построения, обеспечивающий возможность созда-
ния агрегатных комплексов;
конструктивная однородность системы, достигаемая путем унифика-
209
ции несущих конструкций, включая крейт для размещения функциональ-
ных блоков; /
магистральная структура информационных связей между функцио-
нальными блоками, достигаемая за счет использования машинно-незави-
симой магистрали крейта; /
широкое применение принципов программнного управления, обеспе-
чивающих гибкость реализуемых системой алгоритмов [2.41] .
Рассмотрим необходимость использования системы КАМАК на сле-
дующем примере. Предположим, что в ходе некоторого физического
процесса произошло событие, которое породило большой объем! инфор-
мации и эту информацию необходимо принять и сохранить в памяти ЭВМ
для последующего использования. Пусть линия, по которой возможно
поступление информации, подсоединена к каналу ЭВМ. Появление собы-
тия на линии вырабатывает сигнал прерывания, при этом ЭВМ'прервет
выполнение текущей программы, запишет необходимые данные (в стеко-
вую память и переключится на работу с операционной системой. Опера-
ционная система программирует сигнал прерывания, готовит канал для
работы с выбранной зоной ОЗУ и передает управление каналу для занесе-
ния поступающей по линии информации в -ОЗУ ЭВМ. На все эти этапы
организации пересылки данных будет затрачено 20 — 60 мкс времени,
за которое физический быстропротекающий процесс уже закончится,
поток информации прекратится.
Следовательно, для сохранения информации напрашивается необ-
ходимость установки промежуточной системы между измерительным
устройством и ЭВМ, более быстро реагирующей на сигналы запроса при-
ема-передачи информации, способной принять информацию, перекоди-
ровать ее в форму, приемлемую для канала ЭВМ, и переслать в ЭВМ. Имен-
но такой принцип был положен в основу КАМАКа.
В КАМАКе стандартизованы механические конструктивные парамет-
ры, электрические сигналы, логика связи и питание. Пользователям предо-
ставлена возможность самим дорабатывать и расширять систему модулей.
Основной элемент КАМАК — функциональный блок (модуль) —
устройство, имеющее конструктивную завершенность и выполняющее
одну или несколько функций преобразования, накопления, обработки
информации или представления данных.
В СССР разработано, опубликовано и выпускается серийно более
200 типов модулей. Приведем наименования и функции некоторых из
них:
коммутирование и преобразование в цифровую форму аналоговых
сигналов, поступающих от датчиков [мультиплексор - модули 750 и
АЦП-712 (701А)] ;
преобразование цифрового сигнала, задаваемого ЭВМ, в аналоговое
напряжение (модуль 2ЦАП10);
прием от внешних устройств кодовых комбинаций и передача их
в вычислительный комплекс (модуль 305);
передача во внешние устройства кодовых комбинаций, поступающих
от вычислительного комплекса (модуль 350);
210
организация прерываний программы ЭВМ по запросам от внешних
устройств (модули 303 и ФК74);
подсчет числа импульсов, поступающих от внешних устройств (мо-
дуль 401);
вьЫача синхронизирующих импульсов для внешних устройств (мо-
дуль 730д);
двунаправленная передача данных между магистралями КАМАК (мо-
дуль 500А);
визуальная индикация сигналов в магистрали крейта (модуль 081);
выдача оператором кодовых комбинаций и констант в программу
ЭВМ (Модуль 233);
сопряжение магистрали крейта КАМАК с общей шиной ЭВМ (конт-
роллер крейта).
Технические характеристики некоторых функциональных модулей
КАМАК приведены ниже. Релейный мультиплексор типа 750 предназна-
чен для передачи аналогового сигнала с выбранного входа на общий вы-
ход. Мультиплексор имеет: число каналов — 32, максимальный уровень
коммутируемых сигналов 10 В, частоту переключения не менее 50 перекл/с.
Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь типа 701А пред-
назначен для измерения сигналов в широком диапазоне измеряемых на-
пряжений путем преобразования входного сигнала напряжения в цифро-
вой сигнал. АЦП имеет: пределы преобразуемого напряжения ± 50 мВ,
± 100 мВ, ± 500 мВ, + 1 В, ± 5 В, ± 10 В; разрешающую способность 2000
уровней (11 разрядов информационных и 12-й разряд знаковый); интег-
ральную нелинейность не более ± 0,05 %; длительность преобразования
40 мс; предел допускаемого значения приведенной погрешности в диа-
пазоне входных напряжений от 0,2 до 10 В не более 0,5 %.
Модуль 2 ЦАП 10 предназначен для преобразования цифровых кодов,
поступающих с магистрали крейта КАМАК, в напряжение. Характеристи-
ки ЦАП следующие: максимальный выходной сигнал 0 — 5 В, разрешаю-
щая способность 5 мВ, сопротивление нагрузки 2 кОм, максимальное
время преобразования 10 мкс.
Входной регистр типа 305 предназначен для параллельного приема
информации с внешних устройств и их чтения на шины магистрали КАМАК.
Входной регистр 305 имеет следующие характеристики: частота непрерыв-
ного ввода информации в регистр — 4 МГц, количество регистров в моду-
ле — 2, количество разрядов регистра — 24.
Выходной регистр типа 350 предназначен для параллельной пересыл-
ки информации с магистрали на внешние устройства; параметры: число
слов — 2, число разрядов слова данных - 24.
Модуль регистра запросов ФК 74 предназначен для параллельного
приема сигналов запроса об обмене информацией от внешнего устройства
(объекта) и их посылки на магистраль крейта КАМАК. Характеристики
модуля ФК74: количество сигналов запроса — 16, количество разрядов
регистра запросов — 16, количество разрядов регистра маски — 16, ми-
нимальная длительность сигнала — 1 мкс.
211
Двоичный счетчик типа 401 предназначен для счета импульсов: чйсло
счетчиков в модуле — 4, число разрядов каждого счетчика — 16, максималь-
ная рабочая частота — 15 МГц, минимальная длительность импуш^сов —
40 нс. ' I
Генератор тактовых импульсов типа 730 В является источникам им-
пульсов с заданной постоянной частотой: частота внутреннего осциллято-
ра - 1 МГц; длительность импульсов — 0,5 мкс, период повторения такто-
вых импульсов — 1,10,100 мкс, 1,10,100 мс, 1 с. I
Интерфейс телетайпа предназначен для передачи данных в двух’направ-
лениях между магистралью КАМАК и телетайпом, работающим по коду
ASCII, а также для обмена данными между магистралями КАМАК: число
разрядов слова телетайпа — 8, число разрядов слова магистрали 8, 7 или
4, максимальная скорость печатания — 10 знаков/с.
Следующей по иерархии структурной единицей системы является
крейт (crate — корзина) (рис. 18.10), объединяющий группу функцио-
нальных блоков, а также контроллер. Блочный каркас для установки
системных блоков представляет собой крейт, неотъемлемой частью кото-
рого является магистральный канал (магистраль крейта) для передачи
данных, управляющих сигналов и передачи питания. Каркас крейта предус-
матривает размещение 25 направляющих для установки 23 функциональ-
ных блоков и одного контроллера, занимающего крайнее правое положе-
ние. Обмен информацией в пределах крейта происходит между контролле-
ром и каждым из блоков. В системе КАМАК для осуществления указанно-
го обмена организован стандартный канал передачи данных. Канал вклю-
чает в себя: интерфейс крейта, единый для всех устройств этого уровня;
узлы связи функциональных блоков с линиями связи; контроллер крей-
та КК (Crate Controller). Контроллер является по существу диалоговым
устройством между функциональными блоками и устройством старшего
уровня (например, ЭВМ). Все команды, сигналы управления, данные,
поступающие в блоки, подаются на функциональные блоки из ЭВМ толь-
Креит
Магистраль крейта
(шина)
К вригим
крейтам
Информационный
поток из ЭВМ
Блок для
управления
^передачей меж-
ду ЭВМ и устрой-
ствами
ввода-вывода
'(контроллер крейта)
Модуль ввода-вывода с регис-
трами данных, и управляющие
модули
Рис. 18.10. Крейт КАМАК
212
Адрес? крейта Номер станции 5бит Сибадрес U ffu r Код (р^нкции
Рис. 18.11. Структура команд в КАМАК
ко через КК. Также через контроллер крейта проходят в ЭВМ запросы
блоков на обслуживание и считывание информации.
От внешнего источника (от ИС, управляющих устройств и других
источников данных) информация вводится на контакты, расположенные
на лицевой части модуля. Результат обработки информации в крейте вы-
водится либо через контакты лицевой панели одного из модулей, либо
через контроллер крейта, а между модулями и контроллером передается
по интерфейсной шине. Линии шины однонаправленные, т. е. информация
по ним передается только в заданном направлении. Назначение шин ма-
гистрали крейта приведено в табл. 18.2.
Достаточная скорость обмена данными между ЭВМ и большим числом
функциональных блоков обеспечивается сообщениями, передаваемыми
по интерфейсу (адрес, команда и данные), представленными параллель-
ным кодом.
Для передачи данных в системе принята длина слова, равная 24 раз-
рядам. Такая разрядность превышает длину слова в 16 разрядов, харак-
терную для большинства мини-ЭВМ, и обусловлена повышенной точностью.
Из рис. 18.11 видно, что каждая посылаемая команда содержит поле
адреса и поле операнда. Поле адреса указывает на регистр, в котором
будет исполняться функция, закодированная в операнде. Поле адреса
состоит из двух частей: номера станции модуля и субадреса регистра внут-
ри модуля.
Т а б л и ц а 18.2
Назначение шин магистрали крейта
Наименование группы шин Наименование шин Обозначение шины Число кон- тактов Назначение шин
Команда Номер станции № 1 Выбор модуля (инди- видуальная шина от управляющей ситуа- ции)
Субадрес Л1,/42,/44 А8 4 Выбор функциональ- ного узла в модуле
Функция Fl, F2, F4 F8, F16 5 Определение функ- ции, подлежащей ис- полнению в модуле
Синхрониза- ция Строб 1 S1 1 Управление первой фазой операции. Сиг-
213
Продолжение табл. 18.2
Наименование группы шин Наименование шин Обозначение шины Число кон- Назначение шины тактов
Строб 2 52 2 налы на магистрали крейта не должны из- меняться Управление второй
Данные Запись Wl - И'24 . 24 фазой операции. Сиг- налы на магистрали крейта могут изме- няться Занесение информа-
Чтение Al - R25 24 ции в модуль Извлечение информа-
Состояние Запрос на внимание L 1 ции из модуля Требование на обслу-
Занято В 1 живание (индивиду- альная шина к управ- ляющей станции) Указание о прохож-
Ответ Q 1 дении операции на магистрали крейта Указание о состоя-
Команда принята X 1 нии объектов, выб- ранных командой Указание о готовнос-
Общее управ- ление Пуск Z 1 ти модуля выполнить действия, требуемые командой Действие на все под- соединенные элемен- ты; команда не гене- рируется Приведение модуля в
Затрет / 1 определенное состоя- ние (сопровождается сигналами 52 и В) Запрещение опреде-
ленных действий эле- ментов, соединенных с шиной 1, в течение всего времени присут- ствия сигнала на ма- гистрали крейта
214
Продолжение табл. 18.2
Наименование группы шин Наименование шин Обозначение шины Число кон- тактов Назначение шины
Сброс с 1 Очистка регистров (сопровождается сиг- налами S2 и В)
Нестандартные соединения Свободные сквоз- ные шины Индивидуальные дополнительные контакты 2 3 Для нерегламентируе- мых применений Для нерегламентиру- емых соединений (шины магистрали крейта не предусмот- рены)
Обязательные ±24 В + 24 1 Подключение источ-
шины питания + 6 В -6В -24В + 6 -6 -24 1 1 1 ников питания
Дополнитель- ные шины пи- тания Шина 0 В 0 2 Обратный провод пи- тания Подключение слабо- точных источников питания
Формат командного слова КАМАК поясняется рис. 18.11.
В крейте предусмотрено до 25 станций, 23 из которых используются
для модулей ввода-вывода и две — для контроллера крейта.
Последовательность выполнения команд в КАМАК следующая: ЭВМ
сначала называет контроллер крейта, потом определяет номер станции
модуля в крейте вместе с субадресом А, который определяет регистр в
модуле, где исполняется функция F; N — декодирует в контроллере, А
V.F —в модуле.
Программное обеспечение задач полной обработки данных в модулях
КАМАК — довольно сложный процесс. С помощью системы модулей
КАМАК обычно производят прием, преобразование, накопление данных,
а также обратное преобразование кода в аналоговый сигнал и усиление
сигналов для управления. Поэтому полная обработка выполняется на
ЭВМ. Для программирования используют как обычное математическое
обеспечение ЭВМ, так и специальные языки, ориентированные на работу
с КАМАК. В настоящее время широко применяется микропроцессор
в качестве составной части модуля, что увеличивает общую информаци-
онную и вычислительную мощность крейта КАМАК.
Отметим, что КАМАК предоставляет широкие возможности для орга-
низации систем различной конфигурации. Например, ИС могут быть орга-
215
низованы на основе магистрали крейта, магистрали ветви, используемой
для сопряжения нескольких крейтов КАМАК, а также последовательной
магистрали для сопряжения с ЭВМ при последовательной поразрядной
или побайтной передаче. При этом системы могут быть локальные и тер-
риториально-распределенные.
Локальные системы по способу подключения крейтов к магистрали
классифицируют следующим образом:
радиальные системы, обеспечивающие подсоединение отдельных крей-
тов посредством специальных контроллеров крейта (КК) (рис. 18.12, а);
магистральные системы с подключением крейтов через контроллеры
А к единственному контроллеру ветви КВ (рис. 18.12, б);
радиально-магистральные системы с радиальным подключением спе-
циальных системных контроллеров ССК, позволяющих через контроллеры
ветви КВ, реализованные в виде модулей КАМАК, подсоединять крейты
посредством контроллера Л (рис. 18.12, в).
Радиальная структура целесообразна при числе крейтов не более трех-
четырех. Каждый крейт управляет контроллером, который связан с кана-
лом ввода-вывода ЭВМ и считается периферийным устройством машины.
Магистральный вариант организации локальных систем связи рацио-
нально использовать для систем, содержащих от трех (четырех) до семи
крейтов.
Третий вариант организации позволяет создавать мультисекционные
системы различной сложности.
Модульный принцип построения системного контроллера позволяет
легко наращивать систему и увеличивает функциональные возможности
контроллера.
Рис. 18.12. Структура КАМАК:
КК - контроллер крейта; КВ - конт-
роллер ветви; А — контроллер; ССК —
специальная система контроллеров
Рис. 18.13. Последовательная структура
магистралей КАМАК:
ПКВ - последовательный контроллер
ветви; ПКК - последовательный конт-
роллер крейта
216
Для рассредоточенных ИИС более экономичным решением является
последовательная магистраль КАМАК, обеспечивающая организацию мно-
гокрейтовой системы на основе обмена данными в последовательном
коде. Последовательная магистраль КАМАК широко применяется в про-
мышленности для автоматизации технологических процессов. Последова-
тельная магистраль образует петлю связи от выхода последовательного
драйвера ветви до его входа (рис. 18.13). Петля связи обеспечивает поток
информации в одном направлении.
Передача информации к ЭВМ осуществляется через вынесенный отдель-
но контроллер, управляемый от ЭВМ, - драйвер ветви. Замена ЭВМ одного
типа на ЭВМ другого типа производится одновременно с заменой драй-
вера ветви, без изменений всей остальной системы. Скорость передачи
данных по магистрали ветви до 1 млн. слов в секунду.
Стандарт КАМАК разработан с учетом принципов модульности, про-
граммной управляемости и магистральности. Модульность предусматри-
вает использование отдельных законченных функциональных модулей,
совокупность которых выполняет основную часть задач сопряжения обо-
рудования и измерительной аппаратуры со всеми остальными частями
ИС. Программная управляемость модулей позволяет изменять их конфи-
гурацию и технические характеристики с помощью определенного набора
команд. Магистральный принцип организации позволяет осуществить
подключение к общей системе шин остальных модулей, устройств, ЭВМ,
обращение к которым осуществляется путем адресации.
На основании этих принципов строится программно-управляемая
модульная структура ИС из требуемого набора стандартных модулей.
Последние подключаются к унифицированной магистрали обмена, обеспе-
чивающей взаимодействие модулей и программное управление от систем-
ного контроллера. Для таких модульных структур обмен информацией
между модулями и процессорами носит дискретный характер. Такая ор-
ганизация структуры позволяет максимально приблизить к объекту все
агрегаты измерительно-управляющего оборудования, обеспечивая тем
самым более достоверную и точную обработку информации.
Подведем некоторые итоги — система КАМАК обладает следующим
комплексом преимуществ:
возможностью быстрой перестройки структуры для решения новых
задач;
совместимостью вновь разрабатываемых модулей с существующими;
возможностью построения измерительных систем любой сложности
с помощью набора функциональных модулей;
простотой перестройки алгоритма функционирования;
независимостью физических и электрических параметров магистраль-
ных трактов от типа ЭВМ.
Следует отметить, что все функциональные модули вставляются в
стандартную кассету, причем благодаря стандартному расположению выво-
дов на разъемах модулей они могут переставляться и заменяться другими
по назначению модулями.
217
В то же время система КАМАК не свободна от ряда недостатков:
программирование ее функций достаточно сложно;
в случае многоканальных измерений система становится громоздкой;
24-разрядная сетка КАМАК не совпадает и 16-разрядной сеткой боль-
шинства мини-ЭВМ и в частности ЭВМ серии СМ.
По сравнению с приборным интерфейсом КАМАК накладывает мень-
ше ограничений на первичные входные сигналы, обладает большими функ-
циональными возможностями, обеспечивает возможность быстрой компо-
новки ИИС из набора стандартных модулей. Система КАМАК обеспечивает
большие скорости передачи информации: время обмена данными — 500 нс,
длительность строба — 200 нс, а весь цикл КАМАК — 1 мкс.
Приборный интерфейс намного проще системы КАМАК, однако не
обладает его гибкостью и эффективностью.
Крейты КАМАК используются в ИВК-1 и ИВК-4, а также в системах
”КАМАК-Мера-60”, ”КАМАК-Мера-СМ4” и т.д.
В настоящее время получают стремительное развитие магистрально-
модульные машинно-независимые интерфейсы. Благодаря возможности
установки в модуль КАМАК микропроцессора (или даже микроЭВМ)
в одном крейте происходит объединение как функциональных модулей
связи с объектом, так и микроЭВМ. Более того, в одном крейте можно
физически разместить несколько микропроцессоров. Такая архитектура
построения открывает для этих систем широкие возможности для авто-
матизации измерений, значительно превышающие возможности исход-
ной системы КАМАК.
Указанное привело к разработке многопроцессорных магистрально-
модульных систем (МММС) как у нас в стране, так и за рубежом.
В настоящее время ведется интенсивная разработка принципиально
новых МММС. В Европе принят новый стандарт на конструктивы, разме-
ры плат и типы разъемов под названием ’’Евромеханика”, который имеет
низкую стоимость по сравнению с другими стандартами МЭК.
На базе этих конструктивов был разработан стандарт на МММС ’’Ев-
робас” (Eurobus). Этот стандарт более гибкий, чем КАМАК, предусмат-
ривает различные совместимые подуровни по размерам крейта и разряд-
ности магистрали. Так, магистраль может содержать 8, 16, 24, 32 разряда
по шинам данных. Под логику Eurobus разработаны интерфейсные БИС
большой интеграции.
В 1977 г. в США была начата разработка Fastbus, в котором предус-
матривалась возможность территориальной разнесенности системы, т.е.
предусматривалась организация локальной сети передачи и обработки
данных. Цикл магистрали в сегменте Fastbus в 10 раз быстрее, чем в
КАМАК, т. е. 0,1 мкс. Система Fastbus не заменяет КАМАК или Eurobus,
а предназначается для автоматизации сбора, передачи и обработки данных
в наиболее сложных, быстропротекающих и территориально-распределен-
ных процессах и установках (объектах измерений).
На самом нижнем, приборном, уровне используется приборный стан-
дартный интерфейс МЭК 625-1 (ГОСТ 26.203-81) (или НР1В) для малых
218
систем, компонуемых из автономных приборов. На среднем уровне стан-
дарт КАМАК постепенно будет вытесняться и заменяться стандартом
Eurobus.
Системы Fastbus будут в первую очередь использоваться для автома-
тизации сложного научного эксперимента. Стандарты Multibus и Eurobus
будут применяться для автоматизации управления технологическими
процессами в промышленности (АСУТП). Общность стандартов на интер-
фейс облегчит прямую передачу данных и результатов из автоматизирован-
ной системы научных исследований (АСНИ) в систему автоматизации
проектирования (САПР) и АСУТП.
§ 18.5 . Машинные интерфейсы
Машинные (или системные) интерфейсы предназначены для объеди-
нения составных блоков ЭВМ в единую систему. Тенденция развития
машинных интерфейсов вызвана необходимостью значительного увели-
чения процента операций ввода-вывода, номенклатуры и числа перифе-
рийных устройств (ПУ). В связи с этим существенно возросли требова-
ния к унификации и стандартизации интерфейсов.
Характерной особенностью машинных интерфейсов является необ-
ходимость их функционирования в нескольких режимах взаимодействия,
влияющих на функциональный состав систем шин. Основными режима-
ми взаимодействия являются ввод-вывод по программному каналу и
по каналу прямого доступа в память (КПД).
Интерфейсы микроЭВМ отличаются от интерфейсов мини-ЭВМ по
функциональным возможностям, а также по конструктивному исполне-
нию. В структуре связей микроЭВМ формируется внутренний интерфейс,
объединяющий БИС процессора, модули ОЗУ, ПЗУ, управляющий вво-
дом-выводом, и внешний интерфейс, обеспечивающий сопряжение между
внутренней шиной и ПУ.
Системные интерфейсы по функциональным возможностям подраз-
деляют по совокупности значений двух показателей: времени Т взаимо-
действия и максимальному расстоянию L взаимодействия между состав-
ными элементами интерфейса на шине. При этом Т — время доступа про-
цессора к ПУ, необходимое для пересылки единицы информации; L —
максимально возможная длина магистрали.
Малые машинные интерфейсы. К малым интерфейсам типа Multibus
относят несколько интерфейсов различного уровня стандартизации (табл.
8.13), логически совместимых по числу используемых линий адреса (от
16 до 24), числу разрядов данных (от 8 до 16), арбитражу и прерывани-
ям. Интерфейсы конструктивно соответствуют стандарту МЭК 297-3 (Ев-
роплаты). Модули чаще всего объединены при унифицированном основ-
ном каркасе, но при их увеличении магистраль основного каркаса соеди-
няется гибкими ленточными кабелями с магистралями дополнительных
каркасов.
Интерфейс IEEE Р-796 наиболее близок к исходному интерфейсу Mul-
219
tibus фирмы Intel. Для магистрали выбран двухрядный 86-контактный
разъем прямого сочленения, расположенный на длинной стороне платы.
В интерфейсе AMS-bus по сравнению с Р-796 число линий адреса уве-
личено до 24, реализован он на Европлатах двух размеров и разводной
магистрали по трем рядам одного разъема.
Интерфейс И41 СМ ЭВМ является вариантом исходного интерфейса
Multibus с сохранением состава линий и их функций. Конструктивно мо-
дули представляют собой двойную Европлату с двумя разъемами типа
СНП 59/96. На базе стандарта выпускается набор модулей широкой но-
менклатуры для организации интерфейсных связей микроЭВМ СМ 1800
с объектно-ориентированными АСУТП различных модификаций.
Интерфейс ИК1 стандартизован в рамках системы Микродат (КТС
ЛИУС-2). Содержит раздельные 8-разрядные шины данных и 19-разряд-
ные шины адреса, где три старших разряда предназначены для выбора
каркаса.
Таблица 18.3
Интерфейсы системы типа Multibus
Характеристика Multibus Р-796 AMS-bus BUS-1 И 41 СМ ЭВМ ИК1
Уровень стандартизации МФ, МЭК МЭК ОСТ ОСТ
Число линий адреса 20 20/24 20 19
Число линий данных 16 16 16 8
Тип платы Ф Е2 ЕЗ Е2
Тип разъема Ф/86 С96 СНП59/96 Ф/72
В табл. 18.3 обозначено: Е2, ЕЗ — типы Европлаты; МФ — межфирмен-
ный стандарт; Ф — фиксированный по стандарту.
Интерфейс может обеспечивать мультипроцессорный режим. На осно-
ве интерфейса создано несколько объектно-ориентированных систем для
АСУТП различного назначения [2.42] .
Системный интерфейс И41. Модели семейства СМ 1800 предназначены
для применения в системах централизованного контроля, терминальных
станциях разветвленных АСУ. Они служат также для использования в
многомикропроцессорных системах управления и обработки данных
различного назначения, в качестве контроллеров для управления оборудо-
ванием в дискретных производствах и прямого цифрового управления
в непрерывных процессах. Входящие в состав микроЭВМ СМ 1800 модули
и устройства подключаются к общей шине передачи информации, назы-
ваемой системным интерфейсом.
Физически интерфейс И41 (интерфейс ЭВМ СМ-1800) представляет
собой унифицированную шину из функционально-объединенных линий,
по которым передается вся необходимая информация и управляющие
сигналы [2.27] .
220
В состав интерфейса входят 20 линий адреса ADR0-ADR13, 16 линий
данных DAT0-DATF, 8 линий запроса прерывания (INT0-INT7), линии
сигналов управления и др. Система линий интерфейса И41 приведена
в табл. 18.4.
Таблица! 8.4
Система линий интерфейса И41
Название линии Обозначение Функция (назначение)
Линии передачи данных
Адрес ADR0-ADR13 DAT0-DATF Для выбора исполнителя Для передачи или приема инфор- мации
Разрешение старшего байта BHEN Для указания о двубайтовой пере- даче данных
Запрет ОЗУ INH1 Запрещает ОЗУ реагировать на адрес памяти
Запрет ПЗУ INH2 Запрещает ПЗУ реагировать на адрес памяти
Синхронизация шины BCLK Для синхронизации схем приори- тетного арбитража
Постоянная частота СС2К Для использования системными модулями
Чтение из памяти MRDC Для указания, что выдан адрес памяти для чтения
Запись в память MWTC Для указания, что выданы адрес и данные для записи в память
Чтение из порта IORC Для указания, что выдан адрес порта ввода
Запись в порт IOWC Для указания, что выданы адрес и данные для записи в порт
Подтверждение передачи ХАСК Для указания о завершении опе- рации чтения или записи Линии арбитража приоритетов
Занятость шины BUSY Для указания другим задатчиком, что интерфейс занят
Запрос шины BREQ Для указания, что задатчик тре- бует управления шиной
Общий запрос шины CBRQ Для указания текущему задат- чику, что задатчик требует управ- ления шиной
Линии запроса прерывания INT0-INT7 Для передачи от ПУ запроса соот- ветствующего уровня приоритета при параллельной схеме приоритета 221
Продолжение табл. 18.4
Название линии Обозначение Функция (назначение)
Подтверждение прерыва- ния INTA Запрос на передачу информации прерывания
Вход приоритетного раз- решения доступа BPRN Для передачи данному задатчику разрешения управления шиной
Выход приоритетного доступа BPRO Для передачи через задатчик раз- решения управления шиной
Линии управления состоянием системы
Начальная установка INIT Для установки системы в исход- ное состояние
Ожидание WAIT Для указания, что ЦП находится в состоянии ожидания
Сброс INIT Для инициализации последователь- ности включения питания
Снижение напряжения сети ACLO Для сигнализации выхода парамет- ров сети за допустимые пределы
Прерывания по неисправ- ности сети PFIN Для инициализации прерывания от схемы управления источника пита- ния
Неисправность питания PFSN Для анализа неисправности в сис- теме питания
Сброс сигнала неисправ- ного питания PFSR Для сброса схемы, формирующей сигнал
Защита памяти MPRO Запрос работы памяти во время аварии питания
Запись адреса ALE Линии питания Для записи адреса в защелку адреса
Основной разъем + 5B; + 12В + 12B6 + 24 В Основное питание Батарейное питание Резервное питание
В любой операции обмена данными всегда участвуют два устройства,
связанные между собой как задатчик и исполнитель.
Интерфейс позволяет использовать как 8-, так и 16-разрядные задат-
чики и исполнители. Синхронизация шины осуществляется одним из задат-
чиков, при этом в системе может быть их несколько. По режиму работы
на интерфейсе не может быть двух и более одновременно работающих
задатчиков.
Наиболее очевидное применение интерфейса — мультипроцессорные
конфигурации, высокоскоростные операции прямого доступа..
222
Сигналы интерфейса поступают на основной и дополнительный разъ-
емы. Основной разъем содержит линии адреса, прерываний, управления
и питания, а дополнительный — дополнительные линии управления и
питания.
Процедуры прерывания в интерфейсе И41 следующие:
задатчик формирует один дополнительный сигнал INTA, по которому
исполнитель передает 8-разрядный указатель вектора прерывания на линии
данных;
задатчик формирует два дополнительных сигнала INTA, по которому
исполнитель может выдать два байта с адресом вектора прерывания на
линии данных (по одному байту для каждого сигнала INTA).
Система структурно построена таким образом, что обеспечивает об-
служивание только одного типа интерфейсного векторного прерывания.
Все модули исполнителей должны работать одинаково: с двумя или тремя
сигналами INTA. Важно отметить, что в системе возможно наличие вне-
интерфейсных и интерфейсных векторных прерываний.
В случае одновременного захвата несколькими задатчиками управ-
ления шиной И41 реализует три варианта приоритетного прерывания:
последовательный, параллельный и циклический.
Вариант последовательного приоритета используется для задатчиков,
последовательно расположенных в общей схеме захвата управления интер-
фейсом. В схеме параллельного приоритета установка приоритетов запро-
сов шины BREQ от задатчиков осуществляется шифратором приоритета.
После этого выполняется дешифрация значения приоритета запроса для
выдачи соответствующего сигнала BPRN. Линия BPRO в данной схеме
не используется. Вариант параллельного приоритета требует организации
внешней по отношению к задатчикам установки приоритета.
Схема циклического приоритета может обслуживать такое же коли-
чество задатчиков, как и схема параллельного приоритета. Схема обеспе-
чивает возможность всем задатчикам в равной мере участвовать в систем-
ных диалогах задатчик—исполнитель, что существенно при организации
мультипроцессорных структур управления.
Для указанных вариантов последовательного, параллельного и цикли-
ческого приоритетов в основном операции смены задатчика аналогичны.
Смена текущего задатчика происходит, если его приоритет ниже приори-
тета запрашивающего шину задатчика.
При монопольном режиме работы, исключающем необходимость
в процедуре захвата, задатчик формирует внутренний сигнал блокировки
шины (BUS LOCK). Это обеспечивает эффективность обращений в системе
с одним задатчиком.
Линия общего запроса шины CBRQ предназначена для установления
другого задатчика, запрашивающего управление интерфейсом.
Операции при аварии в системе питания выполняются по сигналам
на дополнительном разъеме. Эти сигналы обеспечивают работу аппаратуры
и программных средств, обрабатывающих аварийные ситуации. Набор
средств произволен и определяется пользователем.
223
Питание одноплатного процессора СМ 1800 осуществляется через
основной разъем, при этом сигналы PFIN, PFSN, PFSR подаются через
дополнительный разъем. Питание модулей памяти осуществляется через
линии основного и дополнительного разъемов.
Интерфейс И41 обеспечивает следующие операции передачи данных:
чтение из памяти, запись в память; чтение из ПУ, запись в ПУ. Операции
чтения данных из памяти и портов идентичны. Для выдачи сигнала управ-
ления чтения из памяти MRDC или из порта IORC на шине устанавливается
адрес (как минимум за 50 нс). Затем по получении управляющего сигнала
на линии выдаются данные. После снятия управляющего сигнала данные
снимаются с линии, а адрес должен оставаться на линиях как минимум
50 нс (рис. 18.14).
Операции записи данных в память и порты также идентичны. На линиях
устанавливаются адрес и данные (минимум за 50 нс) до выдачи сигнала
управления ’’запись в память MWTC” и ’’запись в порт IOWC”. После сня-
тия сигнала управления данные и адрес должны оставаться на линиях
минимум 50 нс (рис. 18.15).
С помощью буферов пересылок байтов, которые необходимо иметь
при работе в 16-разрядных задатчиках и исполнителях, осуществляются
байтовые пересылки данных в двубайтовых системах по младшим адресам
линий данных (DAT0-DAT7). Передачей данных управляют два сигнала:
BHEN (обозначение двубайтового режима) и ADRO (адрес передачи чет-
ного или нечетного байта).
Операции с запретом об-
ращения, осуществляемые
по сигналам INH1 и INH2,
используются в конфигура-
циях ОЗУ, ПЗУ и ПУ, кото-
рые имеют одни и те же
адреса в адресном простран-
стве памяти. Запрет в сис-
теме выдается не позже чем
через 100 нс после выдачи
адреса; сигнал ХАСК, выда-
ваемый запрещающим ис-
полнителем, задерживается
на время не менее цикла
обращения.
Операции прерывания в
системе осуществляются для
внеинтерфейсных и интер-
фейсных вариантов реализа-
ции схемы прерывания. При
внеинтерфейсных прерыва-
ниях адресная информация
вектора прерывания не вы-
224
Ответ, выдан-
ный исполните-
лем
А дрес, Выдан-
ный задатчи-
ком
Данные,выдан-
ные задатчи-
ком
Запись
I ЮМСилиАШТС
I । । ХАСК
Рис. 18.14. Временная диаграмма
ADR0-A0P.13
UATO-DATF
Адрес, выдан-
ный задатчи-
ком
ADR0-ADR13
Чтение
Данные, Выдан-
ные исполни-
телем
Ответ, Выдан-
ный исполни-
телем
ХАСК
Рис. 18.15. Временная диаграмма
I IDRCunuMRDC
OATO-DATF
дается на интерфейс. Формируемый задатчиком векторный адрес преры-
вания передается в процессор по внутренней шине. При интерфейсных
векторных прерываниях адрес выдается на интерфейс исполнитепя. Ис-
полнитель передает задатчику интерфейса по адресным линиям векторный
адрес прерывания с использованием сигнала 1NTA для синхронизации.
Реализуется также монопольный и мультиплексный режимы работы
интерфейса. При монопольном режиме блокировки интерфейса форми-
руется задатчиком внутренний сигнал, исключающий необходимость в
процедуре захвата интерфейса. При этом повышается эффективность
работы системы с одним задатчиком.
При отсутствии сигнала общего запроса магистрали задатчик продол-
жает сохранять управление между циклами обращения по магистрали.
Тогда текущий задатчик прекращает управление интерфейсом и предо-
ставит схеме арбитража возможность выборки другого задатчика в соот-
ветствии с системой приоритетов.
Интерфейс ориентирован на близкое расположение задатчиков (до
3 м) и удобен при не слишком высоких требованиях к скоростям обмена
данными в системе.
§ 18.6 . Некоторые интерфейсы ЭВМ
Интерфейс устройств ввода-вывода информации в ЕС ЭВМ является
стандартным для всех машин и внешних устройств и используется при
создании вычислительных систем различного назначения для широкого
применения во всех сферах народного хозяйства [2.41, 2.43, 2.44, 2.46 —
2.48] .
Подсистема ввода-вывода ЕС ЭВМ имеет структуру, состоящую из
трех основных уровней: каналов ввода-вывода, устройств управления
(УУ) периферийными устройствами и самих периферийных устройств
(ПУ). Каналы ввода-вывода непосредственно взаимодействуют с цент-
ральными процессорами и основной памятью. К ним через стандартный
интерфейс ввода-вывода подключены УУ, а к последним — ПУ.
Канал ввода-вывода выполняет следующие операции:
вывод данных из оперативной памяти в адресуемое ПУ по команде
’’ЗАПИСАТЬ”;
ввод данных из адресуемого ПУ в оперативную память по команде
’’СЧИТАТЬ”;
ввод в обратном направлении по команде ’’СЧИТАТЬ В ОБРАТНОМ
НАПРАВЛЕНИИ” (ячейки памяти заполняются в порядке убывания ад-
ресов);
ввод-вывод, не связанные с передачей данных и выполняемые по
команде ’’УПРАВЛЕНИЕ”;
передача в канал информации о состоянии адресуемого ПУ по коман-
де ’’УТОЧНИТЬ СОСТОЯНИЕ”;
переход в канале (по адресу, указанному в команде) по команде
’’ПЕРЕСЛАТЬ В КАНАЛ”.
8- 1431
225
Если канал свободен, адресуемое ПУ подключается к каналу, инфор-
мируя канал о своем состоянии (способности выполнить поступившую
команду); если такая возможность имеется, то происходит обмен дан-
ными, который завершается выдачей сигнала ’’КАНАЛ КОНЧИЛ”. Выпол-
нение канальной программы рассматривается как отдельная операция
ввода-вывода.
Операция ввода-вывода может выполняться в одном из двух режи-
мов : монопольном (селекторном) или мультиплексном. В монополь-
ном режиме ПУ монополизирует все средства интерфейса ввода-вывода
и канала и остается в определенном смысле связанным с ним на все время
передачи порции данных. Никакое другое устройство не может подклю-
читься к интерфейсу, пока не завершится передача данных в это устрой-
ство или из этого устройства. Порция данных может состоять из несколь-
ких байтов, целого блока данных, последовательности блока данных. В
селекторном режиме каналы в основном используются для подключе-
ния к процессору высокоскоростных периферийных устройств.
В мультиплексном режиме канал обеспечивает одновременный обмен
данными с несколькими периферийными устройствами, работающими с
относительно малой скоростью. Интервалы, относящиеся к различным
канальным программам, чередуются в соответствии с запросами от ПУ.
Каналы ввода-вывода и подключенные к ним устройства идентифи-
цируются адресом ввода-вывода, который представляет собой 12-разряд-
ное двоичное число: четыре разряда — адрес (номер) канала ввода-выво-
да, восемь разрядов — адрес УУ и ПУ. Периферийному устройству, имею-
щему свое нераздельное УУ, может быть присвоен любой адрес в диапазо-
не от 0 до 255. Логически подобные ПУ составляют единое целое со свои-
ми УУ, один и тот же адрес указывает ПУ и УУ.
Интерфейс ввода-вывода ЕС ЭВМ связывает УУ любого типа с кана-
лом ввода-вывода любого типа. Информация (данные, информация о
состоянии ПУ, адреса ПУ, сигналы управления) передается по 34 функцио-
нально разделенным линиям, входящим в состав интерфейса.
Для передачи информации от канала к УУ используются информацион-
ные шины канала, обозначаемые ШИН-КО—ШИН-К7. Для передачи инфор-
мации от УУ к каналу используются информационные шины типа абонен-
та ШИН-АО—ШИН-А7. По этим шинам передаются как данные, выработан-
ные программами центрального процессора или подлежащие обработке
в основной памяти, так и управляющая информация: адреса ПУ, байты
состояния, команды. Для различения этих видов данных на информацион-
ных шинах предусмотрены линии идентификации (по три на каждое на-
правление передачи): АДР-К, УПР-К, ИНФ-К, АДР-А, УПР-А, ИНФ-А. Для
управления подключением УУ к каналу используются линии управления.
Интерфейс ЕС ЭВМ представляет собой магистральное соединение,
выполненное с помощью 32 линий, подходящих к каждому ПУ.
Интерфейс ’’Общая шина”. Современные ИВК строятся на основе
управляющих мини-ЭВМ серии СМ. Организация взаимодействия ПУ осу-
ществляется в таких комплексах машинным интерфейсом ’’Общая шина”
226
Рис. 18.16. Обобщенная структура ИВК с интерфейсом ’’общая шина” с
магистральной структурой
(ОШ) с магистральной структурой. Обобщенная схема такого комплекса
приведена на рис. 18.16.
Интерфейс ОШ разработан в США фирмой ’’Digital Equipment Corp
(DEC)” для мини-ЭВМ типа PDP. Для конкретных машин известны раз-
личные модификации этого интерфейса, например Unibus для мини-ЭВМ
РДС-11, интерфейс LSI-11 для микроЭВМ ’’Электроника 60” и совмести-
мых с ними микроЭВМ.
Интерфейс ОШ, называемый также процессорным интерфейсом, пред-
назначен для сопряжения между центральным процессором и системными
устройствами ввода-вывода. Общая шина — зто магистраль, которая свя-
зывает между собой все ПУ, запоминающие устройства и процессор. Все
устройства подсоединены к общей шине (ОШ) параллельно.
Стандартизация интерфейса обеспечивает единый метод подключения
устройств к комплексам, и тем самым достигается их техническая сов-
местимость и общий для всех устройств комплекса алгоритм связи [2.45].
Общая схема адресации регистров ПУ и ячеек оперативной памяти харак-
терна для интерфейса ОШ. Каждому регистру ПУ присваивается индиви-
дуальный адрес, аналогичный адресу ячейки ОЗУ, что позволяет исполь-
зовать весь комплект адресных команд процессора для организации опе-
раций ввода-вывода. Процессор рассматрйвает регистры ПУ как активные
ячейки ОЗУ и обращается к ним с помощью адресных команд. Это исклю-
чает необходимость иметь специальные команды ввода-вывода. Кроме
того, процессор может оперировать с данными из регистров ввода-выво-
да без предварительной пересылки их в память или в свои регистры.
Передача данных из одного буферного регистра в другой осущест-
вляется через ОШ, минуя полностью центральный процессор ЦП и его
регистры. Благодаря этому не возникает некоторых видов прерываний
и эффективность процессора увеличивается.
При взаимодействии устройств в системе интерфейса ОШ в любой
операции обмена информацией всегда участвуют два устройства, связан-
ные между собой как задатчик (управляющее устройство) и исполнитель
(управляемое устройство). Одновременно на ОШ не может быть двух
задатчиков или более.
227
Общая шина представляет собой физически унифицированную магист-
раль из 56 функционально объединенных линий, по которым передается
различная информация: данные, адреса, команды, информация о состоя-
нии центральных устройств и ПУ, сигналы управления.
Ряд линий магистрали ОШ, имеющих одинаковое функциональное
назначение, объединяются в группы проводов, образуя подшины (’’Дан-
ные”, ’’Адрес”), другие — представляют собой отдельные провода (’’Син-
хронизация”, ”Подготовка”). В соответствии с процедурами ввода-вывода
комплект линий в магистрали может быть сгруппирован в три секции:
"ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ” (41 линия), ’’АРБИТРАЖ ПРИОРИТЕТОВ” (12
линий), "УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ СИСТЕМЫ” (3 линии).
Подшины адреса и данных входят в секцию ’’ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ”.
Восемнадцать линий подшины адреса обеспечивают адресацию 256 Кбайт
Или 128 Келов. Подшина данных (16 линий) обеспечивает передачу двух
байтов данных или одного машинного слова параллельно по всем разрядам.
Интерфейс ’’Общая шина” используется процессором и всеми ПУ
в соответствии с системой приоритетов устройств. Схема управления при-
оритетными прерываниями, называемая арбитром процессора, определя-
ет, какому из устройств занимать ОШ в текущий момент времени.
Устройства могут запрашивать ОШ по линиям запросов передачи,
поступившим в арбитр. Задатчик выбирается арбитром на основе сравне-
ния приоритетов, а управление ОШ передается устройству с самым высо-
ким приоритетом. При подключении к одной приоритетной линии несколь-
ких устройств, имеющих одинаковый приоритет, обслуживается первым
то устройство, которое подключено физически ближе по ОШ к процессору.
Всего имеется пять уровней приоритетов, каждому из которых соот-
ветствует сигнальная линия интерфейса. Линия может быть активизирована
всеми устройствами, подключенными на этот уровень. Структура прио-
ритетов ОШ приведена на рис. 18.17.
Все сигналы ОШ в процессе обмена проходят через интерфейсные
магистральные усилители - источник ИСТ (или передатчик) и приемник
ПРМ — прежде чем они могут быть использованы. Большинство сигналов
ОШ являются двунаправленными, т. е. связаны с устройством через ИСТ
и ПРМ сигналов.
На рис. 18.18 приведен типовой режим приема-передачи двунаправ-
ленного сигнала. Как видно из рисунка, двунаправленный сигнал появ-
ляется в двух физически различных точках: на выходе ИСТ и на входе
ПРМ.
Существует четыре типа операций передачи данных ОШ, которые оп-
ределяются сигналами на линиях У (1 — 0), формируемых задатчиком.
Из них - две операции чтения (ЧТС и ЧТСП) и две - записи (ЗПС и ЗПБ)
(табл. 18.5).
Управление ОШ разрешается не только процессору, но и некоторым
другим интерфейсным устройствам. Связь между задатчиком и испол-
нителем осуществляется в асинхронном режиме с квитированием (под-
тверждением). Время ответа определяется реакцией участвующих в об-
228
внспроиессорный
Рис. 18.18. Структура приема-передачи двунаправленного сигнала:
ИСТ - источник; ПРМ - приемник
Таблица! 8.5
Операции передачи данных по ОШ
Чтение слова ЧТС 00 Передача слова данных из исполнителя в задатчик
Чтение слова с паузой ЧТСП 01 То же. Затем должна следовать операция ЗПС или ЗПБ в ту же ячейку
Запись слов ЗПС 10 Передача одного слова данных из задат- чика в исполнитель
Запись байта ЗПБ 11 Передача байта данных из задатчика в исполнитель
мене устройств, а не системным генератором синхронизации, что позволяет
иметь в ЭВМ различного быстродействия процессор, память и ПУ.
Теоретически к ОШ может быть подключено большое число ПУ. Од-
нако по мере увеличения числа устройств, подключаемых к ОШ, нагрузка
на шину возрастает, все чаще возникают конфликтные ситуации и зто сни-
жает эффективность системы. Практически разрешается подключать на
ОШ не более 20 устройств. Увеличение числа подключаемых внешних
устройств осуществляется использованием блоков расширения ОШ.
В состав управляющего вычислительного комплекса (УВК) на базе
мини-ЭВМ СМ-3 и СМ-4 могут входить разнообразные устройства связи
с объектом (УСО). Эти устройства с интерфейсом ОШ позволяют компо-
новать системы с большим числом входных и выходных каналов аналого-
вого и дискретного типов и создавать сложные ИВК. В СМ ЭВМ имеются
контроллеры — адаптеры, позволяющие подключать УСО и аппаратуру
стандартов КАМАК, АСЭТ к интерфейсу ОШ. Адаптер со стороны ОШ
имеет прямоадресуемый регистр. Помимо адаптеров, функционально
рассчитанных на определенные устройства (модем АЦПУ, НМЛ, НМД
и др.), имеется универсальный адаптер, рассчитанный на обмен с любым
устройством, выдающим или принимающим цифровой код. В этом слу-
чае проектировщик-системщик может конструировать на его базе допол-
нительные сопряжения СМ4 с цифровыми линиями и аппарутурой.
§ 18.7 . Интерфейс 2К СМ
Интерфейс 2К СМ предназначен для подключения ПУ, УСО, модулей
внутрисистемной связи и низовых подсистем к концентраторам (процес-
сорам, каналам, согласователям, разветвителям интерфейсов и др.). Ин-
терфейс 2К СМ является базовым агрегатного комплекса средств вы-
числительной техники (АСВТ-М). Комплекс АСВТ-М, как известно, пред-
ставляет собой совокупность функциональных устройств для построе-
230
ния АСУ, систем сбора первичной информации, контроля и регулирования
технологических процессов. Эти устройства выполнены на элементной и
конструктивной базе ЭВМ третьего поколения.
Основное назначение 2К СМ — увеличение числа индивидуальных
линий и гибкости при работе с системой прерывания, обеспечение возмож-
ности передачи аналоговых сигналов между ПУ, повышение пропускной
способности интерфейса.
Интерфейс 2К СМ используется в семействах ЭВМ типа СМ-1 и СМ-2.
Семейства СМ-1 и СМ-2 в основном предназначены для использования
их при построении АСУ агрегатами, технологическими процессами и про-
изводствами, а также при построении экспериментальных исследователь-
ских комплексов, для первичной обработки результатов испытаний слож-
ного оборудования, данных геологоразведки, в информационно-поиско-
вых системах, для обработки спектрометрической информации [2.44] .
Работа процессора с ПУ, подключенными к'сопряжению 2К, осущест-
вляется по программе, задаваемой процессором.
Для общего обозначения устройств, находящихся на центральной
стороне сопряжения (процессора, канала прямого доступа в память КПДП,
расширителей ввода-вывода), в системе используют понятие ’’концент-
ратор” К, а для обозначения устройств, находящихся на периферийной
стороне сопряжения, — понятие ’’терминал” Т.
Интерфейс 2К рассчитан на параллельную передачу 16-разрядных
двоичных слов; в сообщениях два дополнительных разряда выделены
для контроля каждого байта по четности. Допускается двусторонний об-
мен информацией за одну операцию, управление передачей данных от
устройств ввода-вывода, от процессора, от канала прямого доступа в
память (КПДП) и др. Если недостаточно 16 разрядов для представления
сообщения, его можно передавать двумя пересылками и более. Допус-
каются также прием слов с меньшим числом разрядов (от 16 до 1) и
любая кодировка данных и управляющих команд. Перекодирование осу-
ществляется программно, но при этом увеличивается затрата времени
процессора.
Отличительные особенности интерфейса 2К СМ: независимость от ар-
хитектуры процессоров; целесообразное распределение функций между
терминалом и концентратором; часть информационных шин может не
использоваться терминалом; клапанирование принимаемой и выдавае-
мой информации осуществляется в терминале.
Система линий интерфейса 2К СМ приведена в табл- 18.6 [2.44] .
Интерфейс содержит три группы шин: от концентратора к терминалу
(выходное); от терминала-к концентратору (входные); между терми-
налами (аналоговые).
Интерфейс имеет структуру с комбинированной системой шин с ради-
альными линиями выборки (ВБР-К) и идентификации (ГТ-Т) ПУ.
По шинам концентратора ШИН-К и терминала ШИН-Т осуществляется
обмен информацией между центральными и периферийными устройства-
ми. По шинам КР-К и КР-Т передаются данные для побайтного контроля
231
Таблица! 8.6
Система линий интерфейса 2К СМ
Наименование Обозначение Основное назначение
Выходные типы концентратора
Информационные шины ШИНО-К - Для передачи команд или данных в
концентратора ШИН15-К ПУ. Назначение, количество используе- мых шин, способ передачи данных и команд специфичны для каждого тер- минала
Шины контрольных раз- рядов КРО-К: КР1-К -
Отсутствие контроля ОК-К Признак для терминала, что инфор- мация на ШИН-К не сопровождается контрольными разрядами
Выдано ВД-К Для указания ПУ, что на ШИН-К вы- ставлена информация для записи в буферный регистр; является стробом приема для ПУ
Прием ПР-К Сигнал выдачи информации на ШИН-Т для терминала, выбранного сигналом ВБР-К
Выполнить ВП-К Сигнал, точный смысл которого опре- деляется для каждого ПУ
Останов ОСТ-К То же
Выборка ВБРО-К - ВБРЗ-К Выборка конкретного терминала (или функции, канала для сложного ПУ)
Общий сброс ОСБ-К Сигнал, вызывающий сброс всех тер- миналов
Сброс маски СБМ-К Сигнал включения выбранного ПУ в систему прерывания
Установка маски УСМ-К Сигнал выключения выбранного ПУ из системы прерывания
Выходные шины терминала
Информационные шины ШИНО-Т - ШИН15-Т Для передачи к концентратору дан-
терминала Шины контрольных КРО-Т, ных и информации о состоянии тер- минала Контрольные разряды на каждый байт
разрядов КРТ-Т ШИН-Т
Отсутствие контроля ОК-Т Признак, что информация на ШИН-Т
Готов гто-т - гтз-т не сопровождается контрольными раз- рядами Для сигнализации, что терминал готов
232
Продолжение табл. 18.6
Наименование Обозначение Основное назначение
начать или продолжить операцию
Ошибка ОШ-Т Сигнал о ненормальной ситуации, не препятствующей продолжению начатой терминалом операции
Конец операции КОП-Т Окончание операции ввода-вывода по инициативе ПУ
Занято ЗАН-Т Признак, что разветвитель не закон- чил прерыдущую операцию ввода-вы- вода
Шины обмена информацией между терминалами
Аналоговые сигналы АСО, АС1 Для передачи аналоговых сигналов от их коммутаторов и преобразователей
в АЦП, АСО - положительный уровень напряжения, АС1 - отрицательный уровень напряжения
Запуск АЦП ЗАП Используется коммутатором для за- пуска АЦП
сообщений на четность; если такой контроль не осуществляется, то должен
быть установлен сигнал на шинах ОК-К и ОК-Т.
По сигналу ВП-К ПУ приступает к выполнению операции ввода-выво-
да по инициативе концентратора или по окончании обработки предыду-
щего запроса ПУ, т. е. по завершении обмена информацией между концен-
тратором и терминалом. Сигнал ВП-К подает команду терминалу и источ-
нику подготовить данные к передаче, а терминалу-приемнику — осущест-
вить прием данных.
Сигнал ОСТ-К указывает выбранному терминалу на окончание опе-
рации или на то, что следующее передаваемое слово содержит команду.
Все сигналы терминал воспринимает при наличии сигнала ВБР-К. Каж-
дому физическому выходу на интерфейс присваивается до четырех сиг-
налов выборки, число которых используется терминалом в зависимости
от его функциональной сложности. Аналогично используются сигналы
ГТ-Т, означающие, что ПУ запрашивает об обслуживании (готово начать
обмен данными) или может продолжать ранее начатый обмен. В ответ
на сигнал ГТ-Т концентратор на одном из выходов интерфейса вырабаты-
вает сигнал ВБР-К и устанавливает связь с данными ПУ.
Причина прекращения операции, идентифицируемая сигналом КОП-Т,
указывается в слове состояния терминала. Такими причинами могут быть:
специальные признаки выдаваемой в терминал информации (конец зоны
на магнитной ленте, символ ’’Конец текста” и тд.); ненормальные ситуа-
ЭТТ
ции, при которых терминал не может продолжать начатую операцию (об-
рыв ленты и т.д.); для устройств машинной связи — появление управ-
ляющего слова в потоке данных. Сигналы ОШ-Т и КОП-Т воспринимаются
концентратором только при наличии сигнала ВБР-К для данного терминала.
Интерфейс 2К не регламентирует строго и однозначно:
порядок действия для начала и окончания операции ввода-вывода,
функции блоков управления ПУ, использование информационных шин;
некоторые сигналы выдаются в интерфейс и анализируются по про-
грамме.
Эта особенность значительно упрощает подключение к интерфейсу
2К нестандартных ПУ, в том числе аналогового типа. Функции управления
возлагаются на программу процессора.
При невысокой скорости обмена данными программа выполняет
также функции канала ввода-вывода.
В интерфейсе 2К канала прямого доступа регламентируются все пере-
даваемые сигналы и их временная последовательность. Начало или продол-
жение операции осуществляется только при наличии сигнала ГТ-Т, а по
сигналу КОП-Т обмен немедленно прекращается. Минимальное время
реакции канала на сигнал ГТ-Т составляет 0,5 мкс; длительность паузы
между сигналами ГТ-Т — не менее 1 мкс.
В интерфейсе 2К программного канала время связи с ПУ не зависит
от сигнала ГТ-Т; порядок выполнения операции произвольный; время
установки сигнала ГТ-Т после обработки очередного запроса определяет-
ся для конкретного ПУ.
Для реализации интерфейса 2К в процессоре резервируются места,
в которые устанавливаются специальные платы — интерфейсные карты,
на которых могут частично или полностью размещаться каскады управ-
ления ПУ: каскады приема и хранения данных (буферные регистры),
генераторы стробирующих сигналов, ключевые каскады и т.д. Терминал
либо выполняется целиком на интерфейсной карте размером 325x140 мм,
либо имеет в составе одну или несколько интерфейсных карт.
На плате размещены два разъема для связи с интерфейсом 2К и один
разъем связи с ПУ. Третий разъем может использоваться для связи с
остальной частью терминала или приема внешних сигналов.
Сигнал на шину ЗАП выдается коммутатором после окончания пере-
ключения входных цепей аналоговых сигналов и не ранее чем через 0,1 мкс
после снятия предыдущего сигнала ЗАП. Он должен быть выставлен не
ранее чем через 0,1 мкс после очередного обращения концентратора к
коммутатору.
Питание интерфейсной карты осуществляется от размещенных в кон-
центраторе источников питания. Допускаемые напряжения: + 5 В ± 2,5 %;
+ 12 В + 2,5 %; ± 24 В ± 1 %.
Развитие системы СМ-1/СМ-2 в рамках второй очереди СМ ЭВМ про-
изводится с максимальным сохранением взаимокомплексируемости новых
и старых средств и преемственности по системным и программным
заделам.
234
Основные цели развития — повышение технико-экономических пара-
метров, улучшение технологичности производства, развитие методов
комплексирования, расширение сферы применения комплексов. Децен-
трализация обработки информации и управления ПУ осуществляется
субкомплексами на базе программируемых контроллеров или процес-
сора СМ-1М (СМ 50/60).
Интерфейсы периферийного оборудования. Интерфейс радиальный
параллельный ИРПР предназначен для радиального подключения к конт-
роллеру К устройств ввода-вывода перфоленточных, перфокарточных,
дисплеев и др. (старт-стопных, синхронных) с параллельной передачей
информации. В основном ИРПР используется в комплексах СМ ЭВМ.
Функциональные характеристики интерфейса строятся на следую-
щих принципах:
метод передачи данных между источником и приемником не зависит
от типа устройства;
на передаваемые данные не накладывается никаких ограничений;
используется минимальное количество сигналов управления и состоя-
ния;
передача данных осуществляется между одним источником и одним
приемником;
для дуплексного режима обмена требуется два сопряжения.
Линии интерфейса ИРПР подразделяют на три группы: заземления,
управления и сигнальные.
Уровни сигналов усилителей-передатчиков и усилителей-приемников
соответствуют уровням интегральных микросхем типа ТТЛ. Периферий-
ные устройства подключаются к интерфейсу ИРПР кабелем длиной не
более 15 м.
Интерфейс радиальный последовательный ИРПС предназначен для
подключения устройств с последовательной передачей информации. Ин-
терфейс обеспечивает единые способы обмена информацией для различ-
ных устройств ввода-вывода (УВВ).
Интерфейс ИРПС позволяет осуществлять асинхронную передачу
постоянным током (токовая петля) по четырехпроводной дуплексной
связи. С целью передачи последовательных двоичных сигналов с регуляр-
ной скоростью, определяемой стандартом, допустимо соединение между
контроллером и УВВ с указанием состояния УВВ.
Формат передаваемой информации:
число стартбитов — 1;
число передаваемых данных — 5,7 или 8 бит;
контроль передачи — 1 бит контроля четности (бит паритета);
число стопбитов — 2.
Питание цепи связи может осуществляться как со стороны передат-
чика (активный режим), так и со стороны приемника (пассивный режим).
Интерфейс обеспечивает передачу сигналов со скоростью 9600 бит/с
на расстояние от 0 до 500 м. При передаче на большие расстояния соот-
ветственно снижается скорость передачи.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем сущность интерфейса?
2. Какие разновидности интерфейсов вы знаете?
3. Каково назначение интерфейса периферийных устройств?
4. Назовите основные интерфейсные функции?
5. Каково назначение приборного интерфейса?
6. Назовите основные характеристики интерфейса КАМАК.
7. Какова особенность интерфейса ввода-вывода ЕС ЭВМ?
8. Укажите назначение интерфейса ’’Общая шина”.
9. В чем особенность интерфейса 2К СМ?
Г Л А В А 19. ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
§ 19.1. Унифицирующие измерительные преобразователи
Датчиками параметров современных ИИС является большое количест-
во первичных измерительных преобразователей, разнообразных по физи-
ческим принципам работы, видам выходных сигналов, динамическим
диапазонам. Вследствие этого осложняется непосредственное сопряжение
всех датчиков контролируемого объекта со столь разнящимися естествен-
ными выходными сигналами с единым измерительным трактом ИИС.
Для согласования выхода первичного преобразователя (датчика) с
входными измерительными устройствами ИИС выходной сигнал первого
должен быть унифицирован, т. е. отвечать требованиям ГОСТа. Эту функ-
цию выполняют вторичные измерительные преобразователи или унифи-
цирующие измерительные преобразователи (УИП). Согласно ГОСТ
9895—78 в качестве носителя информации приняты электрические сигналы
постоянного и переменного токов.
Уровни постоянного тока в системе должны иметь пределы: 0 4-5;
-0,5 4-ОЛ; 04-20; - 204-04-20; 4 4-20; - 1004-0 4-100 мА.
Уровни напряжения постоянного тока должны соответствовать следую-
щим значениям: 0 4- Ю; — 10 4- 0 4- Ю; 0 4- 20; 0 4-50; 04-100 мВ; - 100 4-
4-0 4-200 мВ; 0 4-1; -14-04-1; 04-5; - 5 4-0 4-5; 1 4-5; 04- 10; -10 4-
4-04-10В.
Указанные уровни сигналов лимитируются следующими нагрузочными
сопротивлениями:
2,5 кОм для сигналов 04-5и — 54-04-5 мА;
1 кОм для сигналов 0 4-20, — 20 4- 0 4- 20 и 4 4- 20 мА;
250 Ом для сигналов — 100 4- 0 +100 мА.
В ИИС дальнего действия, где требуется передача сигналов на сравни-
тельно большие расстояния с невысокой погрешностью и без особых требо-
ваний к линии связи, используются унифицирующие измерительные пре-
образователи с токовым выходом, которые должны иметь высокое выход-
ное сопротивление. Унификация уровня напряжения требует низкого вы-
236
ходного сопротивления УИП и большого входного сопротивления следую-
щих за УИП устройств. Отечественной промышленностью выпускаются
датчики, предназначенные для измерения электрических и неэлектри-
ческих величин, имеющих унифицированный выходной сигнал, однако
число их очень ограничено. Поэтому между датчиком и ИИС включаются
УИП, согласующие диапазон изменений разнообразных измеряемых пара-
метров с одним и тем же диапазоном изменения унифицированного сигнала.
При линейной зависимости датчика у = Fi(x) УИП должен выполнять
линейные операции, называемые масштабированием.
Если выходной сигнал х датчика меняется от Xj до х2, а шкала выход-
ного сигнала УИП должна лежать в пределах от 0 до у2 (рис. 19.1), то
УИП должен выполнять линейную операцию вида
у = кх +у0 , (19.1)
где
к = ——-----, у0 = - кху ;
*2 - Xj
или вида
у=к(х — хг) .
(19.2)
Каждому из приведенных выражений (19.1) и (19.2) на рис. 19.2
соответствует своя структурная схема УИП1 и УИП2, выполняющая эти
преобразования. Техническая реализация УИП2 несколько проще.
Если характеристика х = Fr (а), связывающая выходной сигнал х
датчика D с измеряемым параметром а, нелинейна, то кроме линейной
операции вида у = у0 + kFi (а) УИП должен выполнять дополнитель-
ную нелинейную операцию такую, чтобы сигнал у выхода УИП линейно
зависел от измеряемого параметра. Эта операция называется линеари-
зацией.
Обозначим передаточную функцию такого линеаризующего УИП че-
рез у = F2(x). Выберем функцию F2(x), которая по отношению к FY (о)
обратна или отличается от нее с определенной степенью точности. Это
Рис. 19.1. Масштабная характеристика
Рис. 19.2. Структура УИП:
УС — устройство сложения; УВ —
устройство вычитания; Д - датчик;
УИП — унифицированный измеритель-
ный прибор
поясняется приведенными на рис. 19.3 совмещенными по оси х (парамет-
ру х) двумя графиками функций х - (а) и у = F2(x). Согласно этому
рисунку датчик D с характеристикой Fx совместно с УИП, имеющим харак-
теристику F2, осуществляют преобразование диапазонов изменения соот-
ветствующих величин:
F2
- [x,-x2] 3 [0-yJ .
Если при этом входной параметр а будет изменяться не от 0 до а,,
а от ак до а1, то для получения прежнего выходного диапазона УИП (от
О до уг) его характеристика должна быть модифицирована следующим
образом:
На рис. 19.3 полезный участок кривой этой функции показан пунк-
тиром.
На практике наиболее часто линеаризация достигается заменой реаль-
ной характеристики ломаной кривой, состоящей из нескольких прямых
участков. Такая линеаризация называется кусочно-линейной аппроксима-
цией характеристики и выполняется обычно с помощью цепочки последо-
вательно соединенных резисторов, шунтированных стабилитронами или
диодами. На рис. 19.4 приведена схема аппроксимирующего преобразова-
теля АП1, в котором напряжение обратной связи задается многозвенной
цепочкой. С ростом мвь1Х увеличиваются ток через делитель и падение
напряжения на каждом из резисторов. При достижении напряжения на
каком-нибудь из резисторов напряжения пробоя стабилитрона пст этот
стабилитрон начинает шунтировать соответствующий резистор. Если пред-
положить, что R2 > R3 > R4, то рост тока / через делитель, обусловлен-
ный ростом входного напряжения пвх, вызовет поочередный пробой стаби-
Рис. 19.3. Совмещение графиков
функций Fi (а) и F2 (а)
Рис. 19.4. Схема аппроксимирующего
преобразователя:
АП - аппроксимирующий преобразо-
ватель; Д - диод
238
литронов в порядке Д1, Д1, ДЗ. Таким образом, характеристика пвых =
= F(ubX) SypfiT иметь четыре участка (рис. 19.5). Выбор числа участков
аппроксимации и размера каждого из них осуществляют исходя из задан-
ной погрешности аппроксимации.
Принцип действия унифицированных устройств переменного тока
определяется видом модуляции, используемой в датчиках. На переменном
токе унифицированными являются сигналы амплитудно-модулирован-
ного переменного напряжения следующего уровня: - 1,0 4-0 + 1,0; 0 4
4- 2,0 В. Частоты сигналов соответствуют 50 или 400 Гц. По ГОСТ 14853—76
разрешается применение в ИИС частотно-модулированных сигналов 2 4-
4- 4; 4 4- 8 Гц при амплитудах 60 4- 160; 160 4- 600 мВ; 0,6 4- 2,4; 2,4 4-
4-12,0 В. В ИИС сигналы переменного напряжения применяются значитель-
но реже.
Для преобразования переменного амплитудно-модулированного на-
пряжения датчиков давления, перепада давления, расхода, уровня в уни-
фицированный сигнал постоянного тока 0 — 5 мА применяется УИП типа
НП-ПЗ, структурная схема которого приведена на рис. 19.6.
Из рис. 19.6 видно, что переменное напряжение с выхода Д демоду-
лятором преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного
тока, далее оно проходит через магнитный МУ и электронный У усилите-
ли постоянного тока, охваченные отрицательной обратной связью ОС.
Частотный датчик представляет собой генератор, в частотно-зависи-
мую цепь которого включен ИП. Большинство генераторов имеет нели-
нейную характеристику/ = </? (а), а выходная частота/ отличается от нуля,
если измеряемый естественный параметр а равен нулю. Поэтому УИП,
предназначенные для работы с частотными датчиками, выполняют те
же функции, что и унифицирующие устройства амплитудных датчиков.
Смещение нуля шкалы можно осуществить путем вычитания из те-
кущего значения частоты /его начального значения.
Независимо от вида выходного сигнала датчика различают индиви-
дуальные, групповые и многоканальные УИП. Индивидуальные УИП ис-
пользуются для унификации сигналов при ограниченном времени измере-
Рис. 19.5. Характеристика с
кусочно-линейной аппрокси-
мацией
ние. 19.6. Структурная схема УИП:
Д - датчик; ДМ - демодулятор; МУ и У -
магнитный и электронный усилители; ОС -
обратная связь
239
ния. Индивидуальные УИП позволяют производить также преобразование
одного унифицированного сигнала в другой, гальваническую развязку
входных цепей, разветвление входного сигнала по нескольким выходам.
Однако применение в каждом измерительном канале ИИС своего
УИП неэффективно, поэтому применяют групповые УИП, обслуживаю-
щие определенную группу датчиков, выходные сигналы которых пред-
ставляют собой однородные физические величины. Они располагаются
в ИИС после коммутатора и управляются совместно с последними син-
хронно блоком управления. При этом подключением очередного датчика
характеристики группового УИП перестраиваются в соответствии с пара-
метрами выходного сигнала конкретного датчика. Важной характеристи-
кой группового УИП является скорость перестройки его характеристик,
так как она определяет быстродействие ИИС в целом.
В многоканальных ИИС при необходимости измерения разнородных
величин последние группируются по роду физической величины и каждая
группа подключается к соответствующему групповому УИП. В этом случае
в ИИС применяются многоканальные УИП, которые представляют собой
объединенные в одном корпусе или на одной плате нескольких индивиду-
альных УИП. Основной конструктивной особенностью многоканального
УИП является использование общих источников питания и системы конт-
роля для всех индивидуальных УИП.
К УИП предъявляются те же требования, что и к любому ИП: обес-
печение высокой точности, помехоустойчивости, метрологической и
эксплуатационной надежности.
В настоящее время развитие микропроцессорной техники позволяет
избежать необходимости использования УИП в составе ИИС. При исполь-
зовании МП поправочные коэффициенты передаточных характеристик
всех контролируемых датчиков можно занести в быстродействующую
матричную память микропроцессорного блока управления ИИС. По мере
необходимости всякий раз осуществляют коррекцию результата прямого
измерения, не снижая при этом общее быстродействие ИИС. Такое проек-
тирование является очень эффективным и почти всегда приемлемо, по-
скольку в ИИС требуется цифровая обработка аналоговых сигналов с
использованием алгоритмов различной сложности.
§ 19.2. Измерительные коммутаторы
В настоящее время прослеживается тенденция к созданию ИИС с боль-
шим числом измерительных каналов. Это предъявляет особые требования
к одному из важнейших структурных элементов ИИС - коммутирующим
устройствам, или коммутаторам. Основное их назначние — временное раз-
деление каналов, т. е. поочередное подключение измеряемых (или конт-
ролируемых) электрических сигналов ко входу ИИС с наименьшими
искажениями. На рис. 19.7 приведен фрагмент структурной схемы ИИС
с применением коммутатора К в составе ИИС. Коммутаторы используются
в ИИС для временного разделения каналов и подключения выходных
240
сигналов в определенной последо-
вательности к устройствам представ-
ления информации, для распреде-
ления сигналов, несущих служеб-
ную информацию, для формирова-
ния сложных сигналов специальной
формы и в других случаях.
Коммутаторы, являясь элемен-
том ИС, имеют нормированные мет-
рологические характеристики. Ком-
Рис. 19.7. Фрагмент структурной схемы
ИИС с коммутатором:
Д - датчик; К — коммутатор; ИБ -
измерительный блок, СУ - схема уп-
равления
мутаторы с нормируемыми метроло-
гическими характеристиками назы-
ваются измерительными коммутато-
рами.
В общем случае измерительный
коммутатор представляет собой совокупность ключевых элементов раз-
личной конструкции и принципа действия, управляемых разнообразными
устройствами управления. Коммутаторы характеризуются точностью, быст-
родействием, уровнем коммутируемых сигналов, числом каналов и др.
По точности измерительные коммутаторы подразделяют на низкоточ-
ные (с погрешностью > 1,0 %), средней точности (1,0 — 0,05 %) и высо-
коточные (< 0,05 %).
Аналогично по быстродействию коммутаторы выполняются с низ-
ким быстродействием (время переключения > 0,1 мс), со средним
быстродействием (0,1 мс > Т > 1,0 мкс) и быстродействующими (Тп <
<1,0 мкс).
По числу коммутируемых каналов измерительные коммутаторы
подразделяют на малоканальные (< 10),среднеканальные (< 100) и мно-
гоканальные (> 100).
Результирующая погрешность коммутатора определяется погреш-
ностью каждого ключевого элемента, а также влиянием их Друг на друга.
Эквивалентная схема ключевого элемента измерительного комму-
Рис. 19.9. Многофункциональная струк-
тура построения коммутатора:
Д - датчик; К - коммутатор
Рис. 19-8. Эквивалентная схема клю-
чевого элемента коммутатора (17 —
переключатель)
241
гатора приведена на рис. 19.8. Положение 1 переключателя/7 соответствует
открытому состоянию ключевого элемента, положение 2 — закрытому.
Основными параметрами, характеризующими работу ключевого элемента
в открытом состоянии, являются сопротивление Ro и эквивалентный
источник напряжения й0, действующего на выходе ключевого элемента
при ивх =0.
В закрытом состоянии основными параметрами элемента являются
сопротивление А и эквивалентный источник тока/0,генерируемый ключом.
В идеальном случае (идеальный ключевой элемент) 7?0 = 0, й0 - 0,
10 = 0, Ro = °°. Однако в реальных ключевых элементах значения указан-
ных параметров отличаются от идеальных. В результате возникает неко-
торая погрешность, зависящая не только от конструкции и принципа дей-
ствия используемого ключа, но и от параметров коммутируемого сигнала,
температуры окружающей среды, числа каналов и др.
Среди множества характеристик коммутаторов выделим следующие:
погрешность коэффициента передачи («вх - ^ВЬ1ХЛВХ)>
быстродействие, под которым понимают число переключений комму-
татора в секунду; ;
число входных каналов, показывающее, какое число датчиков может
обслужить коммутатор.
Наиболее важной характеристикой является погрешность коэффи-
циента передачи. Можно показать, что погрешность коммутаторов зависит
от числа коммутируемых каналов и растет с их увеличением.
Для уменьшения погрешности, как показано на рис. 19.9, используют
групповой или многоступенчатый принцип построения К. Для каждого
многоканального коммутатора существует некоторое оптимальное число
групп, при котором обеспечивается минимум погрешности коэффициента
передачи; указанное число примерно равно корню квадратному из общего
числа датчиков, т. е. если в каждой группе включено а датчиков, то^"опт =
~\]а Ь, где b — количество групп.
По принципу их действия коммутаторы подразделяют на контактные
и бесконтактные. К контактным ключам (коммутаторам) относятся раз-
личного рода электромагнитные реле, шаговые искатели, герконовые
реле, управляемые постоянным магнитным полем. Контактные коммута-
торы в проводящем состоянии имеют достаточно малое сопротивление
(^03 Ом), в состоянии размыкания их сопротивление имеет огромное
значение, ограниченное лишь токами утечки, зависящими от качества
изготовления и конструкции коммутатора.
При переключении цепей с низким уровнем напряжения с помощью
контактных ключей необходимо учитывать паразитную термоЭДС, зна-
чение которой достигает нескольких микровольт. Быстродействие кон-
тактных ключей невелико. Наиболее распространенные электромагнит-
ные реле имеют время срабатывания порядка 5 — 15 мс и время отпуска-
ния 10 — 15 мс. Сумма времени срабатывания и отпускания представляет
собой потерю времени на переключение.
Все электронные коммутаторы, не имеющие подвижных механичес-
242
ких переключательных элементов, относятся к бесконтактным. Это ком-
мутаторы на основе электронных ламп, полупроводниковых приборов
(биполярных и полевых транзисторах, интегральных схем на их основе),
а также оптоэлектронные.
Переключательные свойства ключевых полупроводниковых элементов
(транзисторов) основаны на значительном изменении их сопротивления
при изменении входных управляющих сигналов. Если в качестве ключе-
вого элемента используется полевой транзистор, то сопротивлением его
исток-стокового канала можно управлять потенциалом на его затворе.
В открытом состоянии сопротивление канала исток-сток полевого тран-
зистора составляет сотни ом, в закрытом — от единиц до десятков мегаом.
Параметры ключевых элементов на основе биополярных транзисторов
несколько хуже, чем у ключевых элементов на основе полевых транзис-
торов. Это обусловливается остаточным коллектор-эммитерным напря-
жением в открытом состоянии. Для уменьшения этого недостатка при
построении измерительных коммутаторов указанные транзисторы стара-
ются ”выращивать” на одной подложке по единой технологии. Современ-
ная микроэлектронная технология позволяет ’’выращивать” на одной
подложке большое количество транзисторных ключей и получать таким
образом интегральные схемы коммутаторов. Количество каналов таких
коммутаторов ограничивается лишь количеством выводов микросхемы.
При создании многоканальных коммутаторов применяют групповой метод,
в пределах одной интегральной схемы получают несколько коммутатор-
ных групп. Подобную структуру имеют коммутаторные интегральные
микросхемы КР590КНЗ, 543КН1, 543КН2. ИС КР590КПЗ - двухгруда
повой четырехканальный коммутатор; структурная схема приведена
на рис. 19.10.
Интегральные коммутаторы кроме собственно ключевых элементов
часто имеют и устройства управления, изготовленные по единой или гиб-
ридной (по отношению к ключевым элементам) технологии. Эти управ-
ляющие схемы берут на себя все функции по управлению переключением
каналов, оперативному изменению режима опроса каналов. Управление
таким интегральным коммутатором существенно проще и не требует
значительных аппаратных затрат. Например, интегральная схема 543КН2
является 16-канальным (или 8x2) коммутатором, каналы которого могут
опрашиваться как последовательно (от Вх1 до Вх16 и т.д.), так и в про-
извольном порядке адресом, подаваемым на выводы АО — АЗ микросхемы.
Выбор режима опроса определяется потенциалами на управляющих вхо-
дах ’’Адресный опрос” и ’’Последовательный опрос”. На рис. 19.11 приве-
дено условное графическое изображение ИС 543КН2. Рассматриваемый
коммутатор состоит из двух 8-канальных коммутаторов, каналы которых
опрашиваются параллельно (одновременно), т. е. Вх1 и Вх9, Вх2 и ВхЮ,
..., Вх8 и Вх16. Входные сигналы, поступающие на входы Вх1, .... Вх8,
коммутируются на Вых I. Сигналы, поступающие на входы Вх9, Вх16,
коммутируются на Вых 2.
В зависимости от потенциала на выводе ’’Перестройка” можно получить
243
Рис. 19.10. Структурная схема интеграль-
ного коммутатора группового типа
4Z
38
3J_
34
33
21
Вх1
Bx2
ВхЗ
Вх4
Вх5
Вхб
Вх7
8x8
8x9
ВхЮ й
8x11
5x72^
5x74^
бх/f^
Вх1б^
24.
40
543 КН 2
- Вых1
— Вых2
& ВыхЗ
15
-я-Вых У пр _
‘В А оресныи опрос
Последовательный
L опрос
А Установка „О"
i Перестройка
т АО
6трА1
тИ*
rMj
|42 \20
йп1 Общий
Рис. 19.11. Графическое изображение
интегрального коммутатора
возможность поочередно коммутировать Вых 1 и Вых 2 на Вых 3. При
этом потенциал на адресном выводе АЗ определяет, какая именно из ком-
мутаторных групп Вх 1 ... Вх 8 или Вх 9... Вх 16 подключается к Вых 3
в данный момент времени, а адресные выводы Ао, At, А2 выбирают кон-
кретный канал внутри этой группы.
Таким образом, при потенциале на выводе ’’Перестройка”, равном
Лог 0, ИС 543КН2 позволяет одновременно иметь сдвоенный 8-канальный
(со стороны Вых 1 и Вых 2) и 16-канальный (со стороны Вых 3) комму-
таторы.
Электронные коммутаторы, уступая контактным по такому парамет-
ру, как сопротивление канала в открытом состоянии, значительно пре-
восходят последние по быстродействию. В табл. 19.1 приведены значения
некоторых важных параметров для наиболее часто применяемых на прак-
тике коммутаторов.
Таблица! 9.1
Характеристики интегральных коммутаторов
Обозначение Число R „ , Ом г . мкс и , В
откр вкл ком
каналов
К590КН1
КР590КНЗ
244
8
4x2
500
300
1
0,3
+ 5
±15
Продолжение табл. 19.1
Обозначение Число каналов Лоткр’ Ом Гвкл’мкс мком’И
КР590КН6 4 300 0,3 ±15
К591КН1 16 450 2,5 + 5
К591КН2 8X2 300 0,3 ±15 .
К591КНЗ 16 270 0,3 + 15
543КН1 16 200 1 ±10
543КН2 8X2 350 1,2 ±10
543KH3 8 80 0,8 ±10
§ 19.3. Устройства обработки измерительной информации
В ИИС обработка измерительной информации осуществляется специ-
ализированными вычислительными устройствами, при этом алгоритм
обработки определяется теми задачами, которые ставятся перед данной
измерительной системой.
С развитием больших интегральных схем (БИС), микропроцессоров
(МП), микроЭВМ и системы малых ЭВМ наблюдается тенденция широкого
применения последних при проектировании ИИС различного назначения.
Особенности указанных устройств — высокая интеграция и быстродей-
ствие, малые габаритные размеры, высокая надежность — обеспечивают
возможность проектирования ИИС на совершенно новом качественном
уровне. Рассмотрим некоторые характеристики МП, микроЭВМ, систем
малых ЭВМ и покажем их влияние на структуру и методы проектирования
ИИС.
Типовая структура МП третьего поколения с наращиваемым числом
разрядов и микропрограммным управлением изображена на рис. 19.12, а.
В таких МП операционное устройство состоит из отдельных малоразряд-
ных модулей, в которые входят АЛУ, регистры общего назначения РгОН,
дешифратор микрокоманд ДШМ и схемы пересылки адресной информа-
ции. Число отдельных операционных модулей зависит от требуемой раз-
рядности МП. Программа работы МП, вводимая устройством ввода-вы-
вода УВВ в виде команд, хранится в оперативном запоминающем устрой-
стве ОЗУ. Отсюда команды поступают в микропрограммное устройство
управления МУУ, которое регистром микропрограмм РгМ каждую коман-
ду превращает в микропрограмму или в последовательность микроко-
манд путем выбора из постоянного запоминающего устройства ПЗУ хра-
нимого там набора микрокоманд (микропрограмм). Адрес каждой сле-
дующей микрокоманды вырабатывается в МУУ в соответствии с кодом
команды, кодом предыдущей микрокоманды й состоянием операцион-
ных модулей. Микрокоманда управляет функционированием операцион-
ных модулей, выполняющих требуемые микрооперации, в том числе вы-
. -- . ' 245
a)
Рис. 19.12. Структура микропроцессора:
а — с наращиваемым числом разрядов; б - с раздельными шинами дан-
ных, адреса и управления; АЛУ - арифметическое логическое устройство;
РОН — регистр общего назначения; ДШМ - дешифратор микрокоманд;
УВВ - устройство ввода-вывода; МУУ - микропрограммное устройство
управления; РгМ - регистр микропрограмм; ЗУ - запоминающее уст-
ройство; МУ, Ма, МД — магистрали управления, адреса и данных соот-
ветственно
рабатывает адрес следующей команды, хранимой в ОЗУ. Микропроцессор
реализует большое число различных функций за счет выполнения соот-
ветствующих микрокоманд. В МП используется три типа магистральных
шин: МУ, Ма, МД.
Для управления во всех существующих и ныне разрабатываемых
МП используются два принципа: микропрограммный принцип и жест-
кая схемная логика с фиксированной системой команд. Реализация управ-
ления МП по жесткой схемной логике более экономична и, как правило,
обеспечивает более высокое быстродействие работы МП, но меньшую
гибкость из-за того, что система команд фиксирована, аппаратурно реа-
лизована в том же кристалле и не допускает изменения и встраивания
отдельных команд. Кроме того, схема управления по жесткой логике
менее однородна, а следовательно, менее технологична и труднее поддается
246
контрольно-диагностическим процедурам. Микропрограммная реализация
управления обеспечивает меньшее быстродействие из-за ее последователь-
ного характера, но значительно большую гибкость работы МП благодаря
легкости изменения микропрограммы и возможности перестройки системы
команд, повышает производительность за счет введения дополнительно-
го набора микроопераций.
МикроЭВМ — это конструктивно завершенная микропроцессорная
управляющая система, оформленная в виде автономного прибора со свои-
ми источниками питания, интерфейсом ввода-вывода и комплектом про-
граммного обеспечения. Для повышения быстродействия во всех микро-
ЭВМ используется прямой доступ к памяти и обеспечивается возмож-
ность прерывания; последнее позволяет изменять последовательность
выполнения команд по сигналам прерывания с помощью команд пере-
дачи управления.
Структура микроЭВМ, в которой связь МП с оперативным запоминаю-
щим устройством ОЗУ, внешним запоминающим устройством ввода-
вывода УВВ осуществляется через раздельные шины адреса данных и
управления, изображена на рис. 19.12, б.
Программное обеспечение микроЭВМ включает управляющую про-
грамму, моделирующие программы системы команд и системы микро-
команд, контрольные тесты, некоторые целевые задачи. Внутреннее стан-
дартное программное обеспечение микроЭВМ содержит систему управле-
ния и контроля функционирования микроЭВМ и систему автоматизации
разработки программ и микропрограмм. Внешнее стандартное програм-
мное обеспечение микроЭВМ включает: транслятор, моделирующую про-
грамму системы команд, предназначенную для отладки на обычных уни-
версальных ЭВМ программ, составленных в машинных кодах; модели-
рующую программу системы микрокоманд, предназначенную для отлад-
ки микропрограмм на обычных универсальных ЭВМ; профилактические
тесты, обеспечивающие контроль работоспособности микроЭВМ, а также
средства редактирования и отладки.
Международная система малых ЭВМ (СМ ЭВМ) строится как агрегат-
ная система технических и программных средств вычислительной тех-
ники с унификацией системных, архитектурных и конструктивных реше-
ний. Две международные системы (ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ) в совокупности,
дополняя одна другую, становятся технической базой автоматизации уп-
равления и обработки информации во всех сферах народного хозяйства
[2.20,2.21,2.22,2.28] .
Международная система малых ЭВМ включает следующие группы
устройств: базовый ряд процессоров различной производительности (до
1 млн. операций/с) — СМ-1, СМ-2, СМ-3, СМ-4, широкий набор устройств
ввода-вывода, внешней памяти, отображения, связи с объектом, дистан-
ционной связи, внутри- и межмашинной связи.
Номенклатура технических средств второй очереди СМ ЭВМ бази-
руется на применении БИС и МП. Предполагается также использовать спе-
циализированные процессоры в сочетании с моделями первой очереди
247
СМ ЭВМ, что позволит создать вычислительные и управляющие комплек-
сы со средней производительностью, в несколько десятков раз превос-
ходящей производительность центрального процессора.
Системы программного обеспечения малых ЭВМ создаются с учетом
необходимости использования возможно меньшего объема памяти. Опе-
рационные системы малых ЭВМ по сравнению с большими ЭВМ гораздо
проще, менее универсальны, многие функции обслуживания и управления
выполняются аппаратно.
Указанные параметры МП, микро- и мини-ЭВМ при реализации их в
ИИС в качестве универсальных измерительно-информационных элемен-
тов при решении широкого круга измерительных и информационных
задач обеспечивают следующие особенности измерительных систем:
возможность распределения вычислительных средств по всей системе,
т. е. применение МП и малых ЭВМ в ситуациях, когда использование вы-
числительной техники всех ранее известных видов приводило к неприем-
лемым решениям;
возможность распределения вычислительных средств по всем иерар-
хическим уровням ИИС, что обусловливает большое число вариантов
структур, пригодных для решения конкретных задач; при этом варианты
могут различаться не только местом приложения средств вычислитель-
ной техники, но и объемом решаемых ими задач: таким образом, стала
возможной иерархическая система и использование вычислительных
средств в ИИС;
возможность замены схемных решений программными, т. е. приме-
нение МП позволяет решать все заданные логические задачи посредством
разного вида программ; замена схемных решений программными позво-
ляет в самых широких формах использовать моделирование на универ-
сальных ЭВМ для определения свойств и характеристик проектируемой
аппаратуры; значительное снижение вероятности отказов.
Использование СМ ЭВМ открывает большие возможности при построе-
нии телемеханических ИИС с территориально распределенной структурой.
Как известно, в качестве телемеханических каналов для передачи изме-
рительной информации обычно используются выделенные телеграфные
и телефонные каналы и кодоимпульсная аппаратура телемеханики.
§ 19.4. Устройства отображения измерительной информации
Классификация средств отображения информации. Важным вопросом
при построении АСУ является обеспечение высокой эффективности вза-
имодействия человека с автоматическими средствами (компонентами
АСУ). Вследствие этого значительно возрастает роль средств отображения
информации (СОИ).
В прошлом в АСУ аппаратура отображения играла второстепенную
роль по сравнению с другими подсистемами и узлами АСУ. Это приводи-
ло к тому, что СОИ разрабатывались в последнюю очередь, исходя из
параметров всех других составных частей ИИС. Сейчас такой подход во
248
всех странах признан неправильным. Считается, что преходе всего надо
определить требования к объему и характеру информации, отображаемой
в системе для человека-оператора, правильно определить характер (тип)
СОИ, а затем проектировать систему в целом.
Основной функцией СОИ является воспроизведение всей необходи-
мой для работы оператора информации о характере, местоположении и
состоянии управляемых объектов, состоянии среды и самой системы.
Иными словами, основной функцией СОИ в ИИС является преобразо-
вание поступающей от источников в виде электрических сигналов инфор-
мации в наглядную информационную модель [1.11] -
Для современных СОИ характерны широкая микроминиатюризация,
резкое уменьшение габаритов и мощности источников питания и возраста-
ние функциональных сервисных и информационных возможностей и гиб-
кости связи между ЭВМ и человеком.
На рис. 19.13 показана структурная схема управляющей системы
с подсистемой сбора измерительной информации, работающей в режиме
реального времени, где xt — х — контролируемые измеряемые параметры,
yi ~Уъ~ управляющие воздействия.
В ИИС реального времени к технике отображения информации в них
предъявляют серьезные требования. Это обусловило создание комплек-
сов средств отображения информации (КСОИ), включающих в себя как
технические средства визуализации информации со средствами ввода,
так и процессоры обработки информации с соответствующим математи-
ческим обеспечением. Упрощен-
ная классификация СОИ (рис.
19.14), учитывает число опера-
торов, работающих со сред-
ствами, назначение средств при
решении задач управления, спо-
соб визуализации информации,
а также физический принцип
работы. Более детальная клас-
сификация СОИ может вклю-
чать и такие характеристики,
как признаки инженерно-пси-
хологического плана, частные
технические параметры средств,
способ организации управле-
ния СОИ, их функциональные
возможности, а также такие,
в которых отражается потре-
бительская ценность информа-
Рис. 19.13. Структурная схема системы
управления с измерительной подсистемой:
ПП - первичный преобразователь; К - ком-
мутатор; РУ - распределительное устрой-
ство; КС - канал связи; ПУ - передающее
устройство; Д — датчик; ЦПУ — цифровое
печатающее устройство; ТКП — табло кол-
лективного пользования; СОИ - система
отображения информации
249
ции. В аспекте последнего признака информацию, представляемую опе-
ратору ИИС, можно разделить на три группы:
оперативную (экспресс-информацию), используемую оператором непо-
средственно в процессе исследования, контроля и управления, для изме-
нения режима работы объекта, алгоритмов проведения экспериментов
и др.;
статистическую, необходимую для последующей статистической об-
работки;
отчетную, для документирования результатов замеров состояния
объектов управления. С этой точки зрения СОИ подразделяют на две груп-
пы — показывающие и регистрирующие.
Основные технические характеристики СОИ. В зависимости от усло-
вий работы, области применения и конкретного назначения СОИ бывают
универсальными и специализированными; работающими в ускоренном,
реальном и замедленном масштабе времени; выдающими информацию
отдельным лицам, группам или коллективу пользователей; обладающими
возможностью ведения диалога или совета; имеющими с ЭВМ непосред-
ственную или дистанционную связь; обеспечивающими непосредственное
отображение информации или через промежуточный носитель; осущест-
вляющими вычислительные операции или нет; имеющими внутреннюю
память или нет; обладающими определенными операционными возмож-
ностями — выделение части изображения, стирание всего изображения
или выборочное, указание на экране маркера (курсора) для записи изоб-
ражения, вычерчивание линий, ввод и редактирование текста, наложение
одного вида информации на другой и др.
Основными характеристиками СОИ являются следующие.
БЫСТРОДЕЙСТВИЕ СОИ характеризует максимально возможный
темп приема, отображения и смены информации — время воспроизве-
дения знака, измеряемое от момента поступления кодовой посылки до
момента полного образования знака в заданном месте. Для СОИ высокого
быстродействия это время составляет единицы микросекунд, для сред-
него быстродействия — от единиц до десятков миллисекунд. Для некото-
рых СОИ быстродействие характеризуется временем вызова и временем
обновления данных. Под временем вызова понимают время, измеряемое
с момента подачи команды на отображение нужной информации до мо-
мента воспроизведения СОИ. Желательно, чтобы время вызова не пре-
восходило 2 — 3 с. В противном случае ухудшаются условия оператив-
ного принятия решения оператором. Под временем обновления данных
понимают время, измеряемое с момента поступления данных на выход
источника информации, сопряженного с СОИ, до момента формирования
изображения.
ТОЧНОСТЬ воспроизведения информации СОИ должна быть не ниже
точности обработки ее техническими средствами, обеспечивающими ввод
входных данных. Особенно высокие требования предъявляют к точности
СОИ индивидуального пользования, используемых для количественной
оценки информации, точных расчетов, точных графических построений
251
и др. Точность считывания информации в ряде случаев в значительной
степени зависит от оператора. Поэтому требования, предъявляемые к
средствам отображения информации, должны согласовываться с конкрет-
ными задачами и возможностями оператора (например, у многих СОИ
коллективного пользования требования к точности менее жесткие).
Для СОИ характерны систематические и случайные погрешности при
отображении информации. Систематические погрешности в большинстве
случаев могут либо устраняться, либо учитываться с помощью поправоч-
ных таблиц и графиков. Случайные погрешности вызваны воздействием
различных случайных факторов и исключить их невозможно.
Если среднеквадратичную погрешность восприятия оператора обоз-
начить через ав, а среднеквадратичную погрешность отображения инфор-
мации СОИ — через oq, то при их полной некоррелированности суммар-
ная среднеквадратичная погрешность системы ’’оператор—СОИ”.
Погрешность восприятия <?в оператора не может быть меньше оп-
ределенной величины oj)rrijn. Погрешность же отображения ао может быть
уменьшена за счет повышения точности работы функциональных узлов
СОИ, стабилизации источников питания, компенсации влияния дестабили-
зирующих внешних факторов и др. Эти меры повышения точности отоб-
ражения информации приводят к усложнению и удорожанию оборудова-
ния. Поэтому к точности отображения предъявляют требования в зави-
симости от значений погрешности восприятия оператора. На рис. 19.15
приведена зависимость суммарной среднеквадратичной погрешности
от отношения среднеквадратичных погрешностей отображения oq и вос-
приятия ов-
По значению ав и требуемому значению можно определить зна-
чение погрешности oq СОИ. В соответствии со значением о формируются
требования к точности функциональных узлов и блоков СОИ.
ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ СОИ. Под информационной емкостью
СОИ понимают максимальное количество информации, которое может
быть на нем отображено. Значение информационной емкости для неко-
Рис. 19.15. Зависимость по-
грешности устройства от по-
грешности восприятия
торых видов СОИ зависит от структуры
информационного поля, количества позиций.
Если в СОИ для любой из позиций ин-
формационного поля используются алфавиты
с одинаковым числом символов, то инфор-
мационная емкость определяется выражением
(бит)
I„ = п log2 т ,
где п — число позиций, которые могут зани-
мать в пределах информационного поля
элементы отображения; т — число состояний,
в которых может находиться каждый элемент
(длине алфавита).
252
Если в СОИ знакопечатающего типа информационные поля использу-
ют алфавиты с различным числом символов, закрепленные за определен-
ными группами позиций, то информационная емкость (бит)
м
1=2 П; log2 т ,
и i=l 1
где М — число различных алфавитов, используемых в данном информаци-
онном поле.
Количество информации, воспроизводимой СОИ, обычно не равно
информационной емкости. Равенство возможно лищь в случае, если для
любой позиции информационного поля равновероятно появление любого
из символов алфавита, относящегося к ней.
Если появление символов алфавита длиной т равновероятно для
любой из п позиций информационного поля, то количество отображаемой
информации (бит)
т
1 = п Яр. log2 р., (19.3)
7=1 1 1
где р . — вероятность появления /-го символа.
Если алфавиты различны для разных групп позиций, то соотношение
(19.3) принимает следующий вид:
/=Еи. (19’4)
1=1 ‘ /=1 1 1
Формулы (19.3) и (19.4) не учитывают статистических связей между
появлением различных символов алфавита.
В ряде случаев пользуются понятием удельной информационной емкос-
ти 1п , под которой понимают количество информации, приходящейся
на единицу площади отображения (например, экран, табло коллективного
пользования):
где 5 — площадь экрана.
РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СОИ. Это один из важнейших пока-
зателей эффективности СОИ, характеризующий способность устройства
воспроизводить мелкие детали. В качестве количественной меры разрешаю-
щей способности используют, например, число телевизионных линий
либо число пар оптических линий (линия - промежуток), приходящихся
на 1 мм или 1 см. Разрешающая способность связана с остротой зрения.
Если разрешающая способность СОИ чрезмерно высока, то оператор ИИС
не сможет воспринимать многие детали изображения, в то время как
сложность СОИ будет большой. Однако низкая разрешающая способ-
ность ограничивает возможность воспроизведения большого количества
информации и повышения точности СОИ.
НАДЕЖНОСТЬ СОИ. Эффективность использования сложной ИИС
существенно зависит от надежности СОИ. В качестве количественных
характеристик надежности, СОИ используют вероятность безотказной
работы, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы, час-
тоту отказов, наработку на отказ и др.
253
В большинстве случаев СОИ при отказе одного или нескольких эле-
ментов продолжают функционировать, отображая информацию в полном ?
объеме или частично (это связано с их структурной избыточностью). При j
считывании оператор может восстанавливать информацию, искаженную |
СОИ. Исходя из этого количественные критерии надежности, характери- I
зующие безотказность СОИ как простых систем, не могут полностью -
характеризовать их функциональные возможности, связанные с деятель- }
ностью человека-оператора. Поэтому к СОИ подходят как к сложным !
системам и для оценки степени приспособленности СОИ к выполнению
возложенных функций используют эффективность функционирования j
их с учетом деятельности оператора. Таким образом, оценка эффектив- *
ности функционирования системы ’’оператор—СОИ” позволяет наиболее <
правильно подойти к оценке надежности СОИ и в какой-то степени ИИС ;
в целом.
Физические принципы отображения информации. Устройства отоб-
ражения отличаются большим разнообразием физических принципов,
заложенных в основу их работы. По мере развития уже известных прин-
ципов и появления новых совершенствуются характеристики существую-
щих устройств отображения, повышаются их эргономические качества,
расширяется область применения.
Различают два основных класса индикаторных элементов: светоизлу-
чающие и модулирующие свет, т. е. изменяющие параметры среды, через
которую проходит элемент. На рис. 19.16 приведена классификация основ-
ных типов элементов, отличающихся по используемым физическим прин-
ципам. Рассмотрим коротко особенности каждого из них.
Кинескопы на люминофорах или электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)
являются наиболее известными и широко применяемыми индикаторными
Рис. 19.16. Классификация индикаторных элементов
254
устройствами. Не случайно общепринятое в технической терминологии
название — дисплей, чаще всего идентифицируют именно с приборами;
построенными на базе ЭЛТ. Известно множество различных типов ЭЛТ,
отличающихся как по конструкции, так и по характеристикам излучения.
Общим для них является наличие устройства для генерирования и управ-
ления электронным лучом, воздействующим на люминесцентный экран,
а выходная информация представляется в виде светового поля. Электрон-
но-лучевые трубки подразделяют на приборы с черно-белым и цветным
изображением, с магнитными и электростатическими отклоняющими
системами, одно- и многолучевые, специальные и др.
В электролюминесцентных индикаторах (ЭЛИ) свечение участков
люминофоров обеспечивается приложенным непосредственно к нему
электрическим полем. Напряженность поля определяет яркость свече-
ния элемента, а химический состав люминофора — его цвет. Классифици-
руются ЭЛИ по типу люминофора (порошкового или пленочного), а так-
же по виду управляющего напряжения — постоянного или переменного.
Эксплуатационные характеристики ЭЛИ в значительной степени зави-
сят от их конструкции и технологии изготовления.
Явление люминесценции используется также в светоизлучающих дио-
дах (СИД), представляющих собой твердотельный полупроводниковый
прибор, работающий на р-и-переходе, в котором реализуется так называе-
мая инжекционная люминесценция. Подбор соответствующих материалов
позволяет получить различные типы СИД, излучающих в оптическом диа-
пазоне при сравнительно невысоких приложенных напряжениях.
Последний из рассматриваемых светоизлучающих индикаторов ос-
нован на использовании явления электрического разряда в ионизирован-
ном газе (плазме). Свечение в газоразрядных индикаторах возбуждается
как постоянным, так и переменным напряжением, цвет свечения опреде-
ляется используемым газом: неоном, аргоном или их смесями. Сущест-
вует множество различных конструкций газоразрвдных индикаторов
(ГРИ), отличающихся компоновкой элементов и способов подвода к
ним напряжения. Наибольшее распространение в последние годы получили
ГРИ матричного типа, или ? как их еще называют,’’плазменные панели”.
Общим свойством всех газоразрядных приборов является необходимость
использования сравнительно высоких рабочих напряжений (150 — 200 В).
Среди элементов, не имеющих собственного свечения, а модулирую-
щих свет внешнего источника, наиболее известны жидкокристаллические
индикаторы (ЖКИ). Жидкие кристаллы представляют собой среду с вытя-
нутыми молекулами, которые могут одновременно ориентироваться
параллельно либо перпендикулярно направлению светового потока. В
первом случае среда является прозрачной, во втором — коэффициент
пропускания света резко уменьшается и элемент становится видимым.
Изменение ориентации молекул обеспечивается приложением наибольше-
го напряжения. При создании ЖКИ используются и другие принципы,
основанные на свойствах жидких кристаллов, однако все они отличают-
ся относительно невысоким быстродействием.
255
Электрохимические индикаторы основаны на принципе переноса заря-
женных частиц между плоскими электродами в электролите (жидком
и твердом). Управляемые приложенным напряжением процессы окисле-
ния и восстановления меняют степень поглощения света, делая элемент
прозрачным и видимым. Электрохимические индикаторы пока мало рас-
пространены. Относительно невысокая скорость изменения отображаемой
информации (порядка десятков миллисекунд) ограничивает область их
применения.
Получили распространение индикаторы, основанные на приницпе
механического перемещения элементов различных конструкций. Наибо-
лее удачными здесь являются дисплеи на базе поворачивающихся шари-
ков (герконов), управляемых электростатическим Или электромагнит-
ным полем. Одно полушарие их закрашено, что позволяет строить различ-
ные изображения матричного типа. Такие элементы потребляют энергию
лишь во время переключения, так как при отсутствии воздействия со-
храняют свою последнюю ориентацию.
Имеются сведения о других физических принципах, используемых
при построении индикаторных элементов. Перспективы их широкого при-
менения определяются главным образом дальнейшими достижениями
в области технологии.
Для преобразования информации в многоэлементное визуальное
отображение важен способ адресации отдельных элементов. По этому
принципу все индикаторные элементы классифицируются на элементы
с циклической адресацией (сканирование), с матричной адресацией (х-
у-селекцией) и прямой адресацией. В первом случае переключение эле-
ментов осуществляется с постоянной скоростью вдоль поля изображения
в определенной последовательности в течение заданного цикла.
При матричной адресации выбор элемента из упорядоченного набора
осуществляется путем подачи сигналов на определенную пару адресных
шин (или регистров) — вертикальных или горизонтальных. При прямой
адресации в любой момент времени возможна подача управляющего сиг-
нала непосредственно на каждый элемент. Способ адресации в значитель-
ной степени зависит от используемого в индикаторе физического прин-
ципа. Некоторые дисплеи, имеющие определенную физическую основу,
допускают различные способы адресации в зависимости от конструктив-
ного исполнения.
Рассмотрим принципы работы и конструкции элементов, получив-
ших наибольшее распространение в современных устройствах отображения
информации.
Электронно-лучевые индикаторы. Электронно-лучевые индикаторы,
или электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), являются наиболее распространен-
ными и важными устройствами в технике отображения информации. Ис-
тория использования ЭЛТ насчитывает многие десятилетия, однако впер-
вые промышленное применение они нашли в осциллографии, а несколько
позже в технике радиолокации и телевидения. Широкое развитие телеви-
дения обусловило массовый промышленный выпуск ЭЛТ различных, типов
256
и обеспечило в дальнейшем использование их в качестве устройств отоб-
ражения информации.
Первые устройства на ЭЛТ для вывода данных из ЭВМ появились в
50-х годах, и с тех пор они остаются главным средством взаимодействия
оператора с ЭВМ.
Работа ЭЛТ основана на создании управляемого сфокусированного
пучка электронов, воздействующего на покрытый люминофорным вещест-
вом экран и вызывающего свечение отдельных его участков. Конструк-
тивные различия трубок и специфика их использования определяются
способами управления лучом, конфигурацией электродов трубки и свой-
ствами люминофора. Из множества типов трубок наиболее широкое приме-
нение в современных дисплеях получили монохромные и цветные трубки
типа телевизионных (или аналогичные им) с электромагнитным отклоне-
нием луча и ЭЛТ прямого видения (или запоминающие). В литературе
описано множество других типов электронно-лучевых приборов [1.12] ,
однако в технике отображения информации они либо выполняют узко
специальные функции, либо слишком сложные для широкого примене-
ния. Монохромные ЭЛТ описаны в гл. 11.
В обычных телевизионных трубках время послесвечения составляет
несколько десятков миллисекунд. Другим важным явлением, которое
должно учитываться при использовании ЭЛТ, является ’’вторичная элек-
тронная эмиссия”. Она заключается в испускании вторичных электронов
из материала люминофора при воздействии на него пучка первичных элек-
тронов. По мере увеличения интенсивности пучка количество эмиттиро-
ванных вторичных электронов возрастает. Однако существует порог мак-
симальной яркости светового пятна на экране, выше которого она не
меняется с увеличением потенциала ускоряющего электрода. Для отвода
вторичных электронов на внутреннюю поверхность конуса трубки нано-
сят слой графита, находящийся под положительным потенциалом.
Цветные ЭЛТ. Цветные кинескопы уже многие годы применя-
ются в телевизионном вещании. Благодаря значительному улучшению
технических характеристик в последнее время они стали широко исполь-
зоваться в устройствах отображения информации, особенно графической.
Известны различные конструкции цветных ЭЛТ, отличающиеся спосо-
бами генерации цвета, однако наиболее удачной и широко используемой
оказались ЭЛТ с теневой маской, в которой применен метод диафрагми-
рования электронного луча. Маска помещается между тремя электрон-
ными пушками и трехцветным люминофором экрана. Она препятствует
попаданию каждого луча на участки люминофора не соответствующего
ему цвета. Экран выполняется в виде множества точечных триад или тон-
ких вертикальных полосок, каждая из которых подключена к одному
(красный, зеленый, синий). Последний способ в настоящее время стал
основным, так как обеспечивает лучшие эксплуатационные характерис-
тики трубок.
На рис. 19.17 показано компланарное расположение пушек в цвет-
ной ЭЛТ. Конструктивно они не отличаются от пушек, используемых
9- 1431 257
Рис. 19.17. Расположение электродов в цвет-
ном ЭЛТ
в монохромных ЭЛТ, осущест-
вляя генерацию, фокусировку
и ускорение луча. Внутри труб-
ки пушки сориентированы та-
ким образом, что их лучи,
распространяясь под некото-
рым углом друг к другу и
проходя через любое из от-
верстий в маске, попадают
каждый на полоску люмино-
фора определенного цвета.
Цветные пятна, возбуждаемые
лучом, благодаря близкому
расположению воспринимаются
глазом как одно пятно неко-
торого производного цвета. Этот цвет зависит от пропорции основных
цветов и может быть любым в области видимого спектра. Пропорции
можно менять, управляя напряжением модулятора независимо в каждой
из пушек. Отклонение всех трех лучей осуществляется с помощью общей
обмотки, размещенной на горловине трубки.
Цветные ЭЛТ значительно сложнее в изготовлении, чем монохромные.
Они требуют очень точной установки элементов в процессе производства,
а также дополнительных регулирующих электронных узлов во внешней
схеме управления индикатором. Разрешающая способность цветных ЭЛТ
ограничена количеством отверстий в маске и для телевизионных кине-
скопов составляет примерно 400 различных линий в каждом из направ-
лений экрана. В последние годы специально для графических дисплеев
разработаны цветные ЭЛТ с разрешением 1000 строкой выше, однако
применение их ограничено высокой стоимостью.
Сложность конструкции трехпушечных ЭЛТ привела к поискам дру-
гих методов реализации цветных изображений на экране. Наибольшую
известность получили два типа трубок, так называемые ’’тринитрон” и
’’элмитрон”. В ЭЛТ типа ’’тринитрон” все электронные лучи генериру-
ются с помощью одной пушки. Она имеет три независимых катода и моду-
лятора: два боковых и один центральный. Боковые лучи отклоняются
электронными призмами так, что обеспечивается пересечение их в центре
общей электронной линзы, которая осуществляет фокусировку лучей.
В тринитроне также используется щелевая маска, удается, однако, полу-
чить изображение большой яркости.
В обоих из описанных типов трубок предельная разрешающая способ-
ность определяется количеством и размерами отверстий в маске. Поэтому
представляют интерес цветные трубки типа ’’злмитрон”, в которых мас-
ки не используются, а цвет свечения люминофора зависит от глубины
проникновения электронного луча. В известных конструкциях экран
покрыт двумя слоями люминофора, каждый из которых имеет свой цвет
свечения. При малой энергии луча (низком ускоряющем напряжении)
258
светится лишь один люминофор. При повышении напряжения луч про-
никает глубже и возникает свечение второго люминофора. Разрешающая
способность трубок в основном определяется размерами светового пят-
на и может быть обеспечена достаточно высокой. Недостатком является
то, что в схеме управления индикатором должен быть предусмотрен быст-
родействующий высоковольтный переключатель. Трубки типа ’’элмит-
рон” используются в технике отображения, когда необходимо получить
высокую разрешающую способность при шрапиченном цветном диапазоне.
Запоминающие ЭЛТ и ЭЛТ ’’прямого видения” используются для
преобразования однократно подаваемых на отклоняющую систему сиг-
налов в видимое изображение. В таких трубках управляемый электронный
пучок не воздействует непосредственно на люминофор экрана, имеющий
небольшое время послесвечения, а создает ’’потенциальный рельеф” изо-
бражения на специальной плоской мишени, расположенной внутри трубки.
Конструкция запоминающей ЭЛТ схематично представлена на рис.
19.18. Запоминающая поверхность состоит из тонкой металлической сет-
ки С, на которую со стороны экрана нанесен слой диэлектрика Д. Внутри
колбы размещены две электронные пушки: записывающая ЗП, которая
формирует модулируемый и адресуемый отклоняющей системой ОС вы-
сокоэнергетический пучок электронов, и воспроизводящая ВП, в кото-
рой создается интенсивный, расходящийся поток электронов с невысо-
кой энергией. Специальные электроды, расположенные на стенках трубки
и находящиеся под определенным потенциалом, создают электростати-
ческое поле. Благодаря этому полю медленные электроны двигаются
перпендикулярно мишени, равномерно распределяясь по ее поверхности.
Циклы записи информации и ее отображение на экране разделены
во времени. При первоначальном включении ЭЛТ электроны от воспро-
изводящей пушки, попадая за мишень, за небольшое время устанавливают
на ней потенциал, равный потенциалу катода ОК. Это связано с тем, что
при малой скорости облучающего потока коэффициент вторичной эмис-
сии меньше единицы, т. е. запоминающая поверхность испускает меньше
электронов, чем получает.
Записывающая пушка ЗП, работающая так же, как в обычной трубке,
создает ускоренный узкий пучок
электронов, энергия которых обес-
печивает вторичную эмиссию с коэф-
фициентом, значительно большим
единицы. Поэтому по мере движе-
ния луча участки мишени заряжа-
ются положительно до разных уров-
ней в соответствии с энергией мо-
дулируемого луча. Полученный на
поверхности мишени ’’потенциаль-
ный рельеф”, соответствующий отоб-
ражаемой информации, сохраняется
длительное время (обычно 10 —
Рис. 19.18. Конструкция запоминающего
ЭЛТ
259
15 мин) и обеспечивает различные условия для прохождения в сторону
экрана медленных электронов, генерируемых воспроизводящей пушкой.
Те части сетки С, которые остались заряженными отрицательно, оттал-
кивают электроны, через положительные же участки они проходят свобод-
нее и попадают на люминофор. Энергия проходящих за мишень электро-
нов увеличивается за счет высокого положительного (относительно като-
да К) потенциала, подаваемого на алюминированную поверхность экрана
АЭ, что обеспечивает требуемую яркость изображения.
Поскольку электроны от воспроизводящей пушки имеют малую
энергию, то они незначительно воздействуют на накопительную поверх-
ность, позволяя достаточно долго сохранять неизменным распределение
зарядов на ней. Для снятия зарядов достаточно на короткое время подать
на сетку положительный импульс. Электроны от воспроизводящей пуш-
ки устремятся к мишени, снижая ее потенциал до напряжения катода К,
и выравнивают ’’рельеф”. Изображение при этом стирается и трубка го-
това к новому циклу записи.
Основным преимуществом запоминающих ЭЛТ является простота
индикаторов, создаваемых на их базе (нет необходимости в узлах реге-
нерации изображения), отсутствие мерцания и высокая яркость. Разре-
шающая способность экрана в них достаточно высока и определяется раз-
мером и количеством отверстий в сетке мишени. Однако важным недос-
татком индикаторов на запоминающих трубках, ограничивающим их
использование во многих областях, является невозможность избиратель-
ного стирания информации и, следовательно, интерактивного режима
работы с ЭВМ. Применяются они в основном в качестве устройств вывода
графических данных из машины и в радиолокационных системах.
Электролюминесцентные индикаторы. Электролюминесцентное излу-
чение возникает в результате приложения электрического поля к люмино-
форному материалу. Интенсивность излучения зависит от значения напря-
женности поля и от частоты его изменения, если поле переменное. Свече-
ние связано с ускорением носителей зарядов в люминофоре, для чего
требуется достаточно высокая напряженность поля (порядка 103 — 106
В/см).
Распространение в области отображения информации получили два
основных типа электролюминесцентных индикаторов (ЭЛИ): построенных
на основе порошковых люминофоров, возбуждаемых постоянным напря-
жением, и с использованием люминофоров в виде тонкой пленки, возбуж-
даемых высокочастотным переменным напряжением.
Основой электролюминесцентного элемента постоянного тока явля-
ется порошкообразный люминофор, кристаллы которого вместе с приме-
сями распределены в связующем веществе. Этот состав наносится на про-
зрачную пластину с проводящим покрытием (обычно используется слой
оксида олова). С другой стороны к люминофору прикладывается тонкая
металлическая пластина (фольга). Вся конструкция помещена в пласт-
массовый корпус и герметизирована. После приложения к электродам
постоянного напряжения в материале люминофора в местах контакта
260
с металлической пластиной возбуждается свечение. При необходимости
эта пластина может быть сделана фигурной, что дает возможность выс-
ветить определенный символ. Иногда трафарет наносится на внешнюю
стеклянную пластину, которая просвечивается возбужденным люмино-
фором.
Важным преимуществом электролюминесцентных элементов является
их малая толщина, позволяющая конструировать компактные индикато-
ры. Управляются они напряжениями порядка 50 — 100 В, однако по яр-
кости и контрастности уступают многим другим типам излучающих эле-
ментов.
В среднем для ЭЛИ постоянного тока при питающем напряжении
порядка 100 В яркость свечения составляет примерно 300 кд/м*. Харак-
терным для этих элементов является уменьшение их световой мощнос-
ти в процессе эксплуатации, что связано с миграцией примесей в люмино-
форе в зонах контакта с электродом. Срок службы элементов может
быть увеличен, если осуществить их питание импульсным напряжением,
подаваемым наряду с низковольтным постоянным смещением. Отметим
также важную для некоторых применений способностей ЭЛИ менять цвет
излучения в зависимости от приложенного напряжения, что позволяет
осуществлять световое кодирование отображаемой информации.
Тонкопленочные индикаторы переменного тока являются наиболее
перспективными приборами, реализующими принцип электролюминес-
ценции. В отличие от ЭЛИ постоянного тока здесь контактная связь элек-
тродов с люминофором заменена емкостной и сам элемент представляет
собой конденсатор. При этом слой люминофора размещают между слоя-
ми диэлектрика, обеспечивающими гальваническое отделение первого
слоя от электродов. Все слои создают с помощью технологии напыле-
ния в вакууме на стеклянную подложку. Один из электродов выполняется
прозрачным, другой покрыт черным поглощающим слоем, повышающим
контрастность изображения. Долговечность таких ЭЛИ значительно выше,
чем порошковых. Питающее их высокочастотное напряжение составляет
150 — 250 В. Характерное качество тонкопленочных ЭЛИ — высокая кру-
тизна яркостной характеристики в зависимости от приложенного напря-
жения (рис. 19.19). Такая характеристика, а также отсутствие свечения
при напряжениях ниже определенного поро-
га облегчает конструирование тонкопле-
ночных электролюминесцентных панелей
с х-у-здресацией. В этих панелях элек-
троды выполняются в виде тонких парал-
лельных полосок, составляющих систему
взаимно перпендикулярных шин. Высо-
кочастотное питающее напряжение с по-
мощью внешних ключей коммутируется
по шинам, при этом обеспечивается све-
чение того участка люминофора, который
располагается на пересечении активной
Рис. 19.19. Характеристика яр-
кости от напряжения
261
пары электродов. Изменяя энергию импульсов, можно управлять яркостью
свечения точки. Известны различные разработки люминесцентных пане-
лей данного типа с разрешающей способностью 100x100 элементов и более
[1.12] . Дальнейшее развитие техники электролюминесцентных панелей
позволит создать плоский экран по характеристикам, не уступающим
ЭЛТ.
Светодиодные индикаторы. Светоизлучающие диоды (СИД) пред-
ставляют собой твердотельные приборы, работающие на переходах, обра-
зованных в полупроводниковом материале. В их основе лежит принцип
индукционной люминесценции у карбида кремния (SiC), открытый совет-
ским исследователем О.В. Лосевым в 1923 г. Однако практическое раз-
витие СИД получили начиная с 60-х годов благодаря разработке эффектив-
ной технологии их изготовления. Одной из важнейших особенностей,
выделяющих СИД среди прочих элементов индикации, является их сов-
местимость по электрическим характеристикам с обычными интеграль-
ными микросхемами. При напряжении питания в пределах 3 — 5 В они
обладают малой инерционностью (менее 50 нс) и небольшими габаритами.
Эксплуатационные достоинства СИД способствовали их широкому исполь-
зованию в вычислительной и другой аппаратуре в качестве дискретных
индикаторов. В зависимости от материала полупроводника и концент-
рации примесей излучение имеет определенную длину волны, что позволя-
ет создавать СИД с различным цветом свечения. Переход электронов осу-
ществляется не с дискретных уровней, а с зон разрешенных состояний,
имеющих определенную ширину, поэтому излучение не является моно-
хроматическим.
Для создания в полупроводнике избыточных неосновных носителей
заряда требуются затраты энергии, поэтому световой выход СИД пропор-
ционален (до определенного предела) потребляемому им току и может
модулироваться его изменением. Коэффициент полезного действия свето-
диодов невысок (от долей процента до нескольких процентов) и опре-
деляется в основном отношением числа генерированных фотонов к числу
электронов, прошедших через диод. Имеют значение также оптические
потери при излучении и тепловые потери в омическом сопротивлении
материалов полупроводника. При излучающей поверхности 1,5 см2 затра-
чивается примерно 2 Вт на 1 кд/м2 яркости. Значительная потребляемая
мощность при некоторых применениях СИД является серьезным ограни-
чивающим фактором. Вольт-амперная характеристика СИД аналогична
характеристике обычного диода.
Изготавливают СИД в виде дискретных элементов отображения (рис.
19.20), в виде монолитных полосковосегментных приборов, а также в
виде небольших матриц с х-у-адресацией. В настоящее время промышлен-
ностью выпускаются в основном приборы, излучающие в красном, зеле-
ном и желтом диапазонах при яркостях примерно в 100 кд/м2. Монолит-
ные кристаллы СИД имеют площадь не более 1 — 2 см2, однако уже дли-
тельное время ведутся работы по созданию на их базе плоских цветных
ТВ-экранов.
262
и
Рис. 19.20. Конструкция СИД
Рис. 19.21. Вольт-амперная характерис-
тика СИД
Газоразрядные индикаторы. Как известно, атомы газа генерируют
свет при переходе электронов с одного энергетического уровня на более
низкий. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в ионизированном
газе, когда концентрация свободных электронов и ионов в нем достаточ-
но высока. Ионизация обеспечивается приложением электрического потен-
циала, при определенном значении которого возникает газовый разряд.
Типовая вольт-амперная характеристика газового разряда приведена на
рис. 19.21. При низких напряжениях (участок Г) разряд отсутствует и
газ обладает большим электрическим сопротивлением. При достижении
определенного уровня напряжения начинается ионизация газа и ток быст-
ро возрастает (77). Процесс ионизации при этом интенсифицируется, так
как обладающие высокой энергией электроны, соударяясь с ионизирован-
ными атомами, освобождают новые электроны и т.д. Развитие этого про-
цесса приводит к возникновению разряда в газе (777), который поддержи-
вается при напряжении, меньшем, чем напряжение зажигания. Этот светя-
щийся участок (ТУ), называемый участком тлеющего разряда, обычно
и используется в различных индикаторах. Разряд может быть прекращен
лишь при уменьшении напряжения до значения ниже напряжения горения.
При увеличении же напряжения ток резко возрастает, возникает аномаль-
ное свечение (У) и далее дуговой разряд (VI). Чтобы тлеющий разряд
не переходил в дуговой, последовательно с газоразрядным элементом
включают балластный резистор.
Любой газоразрядный прибор представляет собой заполненную инерт-
ным газом изолированную от внешней среды ячейку, внутри которой
на близком расстоянии друг от друга расположены два электрода. После
пробоя у катода образуется светящееся пятно, покрывающее всю поверх-
ность катода. Напряжение пробоя зависит от давления газа, расстояния
между электродами и типа газовой смеси (обычно неона с примесью ар-
гона и гелия). Для большинства элементов это напряжение составляет
150 — 250 В. Широкое распространение в технике получили газоразряд-
ные приборы типа неоновых ламп, тиратронов тлеющего разряда, линей-
ных газоразрядных индикаторов и др. Их область применения ограни-
чена в основном сигнализацией состояния различных устройств и объ-
ектов.
В простых устройствах отображения цифровой и знаковой информа-
ции нашли применение индикаторные лампы тлеющего разряда Их осо-
263
бенностью является наличие нескольких фигурных катодов в одном бал-
лоне. Катоды имеют вид отображаемого знака и расположены пакетом
друг за другом или вид сегментов, расположенных в одной плоскости
и образующих требуемый знак из отрезков прямых. В обоих случаях
свечение возникает между общим анодом и теми катодами, на которые
подано рабочее напряжение. Анод обычно выполняется в виде тонкой
сетки, не имеющей при наблюдении знака.
Значительно расширилась область применения газоразрядных инди-
каторов с появлением матричных цифровых панелей (плазменных пане-
лей) . Они представляют собой плоский экран, на котором любое изобра-
жение создается большим числом светоизлучающих газоразрядных эле-
ментов, образованных на пересечениях горизонтальных и вертикальных
электродов. Существует два основных типа плазменных панелей: постоян-
ного тока с внешней адресацией и переменного тока с запоминанием инфор-
мации.
Панели постоянного тока имеют плоскую трехслойную конструкцию,
в которой между двумя стеклянными пластинами с нанесенной на их
внутреннюю поверхность системой взаимно перпендикулярных полупро-
зрачных электронов расположена перфорированная изолирующая мат-
рица. Отверстия в матрице заполнены газом и размещены в местах пере-
сечения электродов. Свечение возникает при подаче на соответствующую
пару электродов напряжений, сумма которых превышает напряжение
зажигания.
Широкое распространение получили газоразрядные панели постоян-
ного тока с самосканированием. Они сложнее по конструкции, но свобод-
ны от некоторых недостатков, присущих панелям с внешней адресацией.
В частности, в них имеется возможность параллельного ввода информации
во все строки, что значительно упрощает управляющие цепи.
Все конструкции плазменных панелей постоянного тока не обладают
способностью запоминания информации.
Проблема запоминания информации решается в плазменных панелях
переменного тока. Это делает их наиболее перспективными для создания
универсальных дисплеев.
Рассмотрим конструкцию и принцип работы плазменных панелей
переменного тока. Газоразрядная ячейка переменного тока отличается
от ячейки постоянного тока тем, что ее электроды гальванически изоли-
рованы от газовой смеси диэлектрическими прокладками и по существу
ячейка представляет собой конденсатор. При подаче на обкладки конден-
сатора напряжения зажигания возникает разряд в газе, заряженные частицы
попадают на изолированные стенки ячейки, создавая разность потенциа-
лов, препятствующую горению. Если в соответствующий момент изменить
полярность приложенного напряжения, то его направление совпадает с
направлением напряжения, созданного зарядом,'и вновь возникнет раз-
ряд в газе. Таким образом, если какая-либо ячейка была включена, то
состояние ее горения может поддерживаться подачей внешнего напря-
жения переменной полярности. Это напряжение значительно меньше, чем
264
2
Рис. 19.22. Конструк-
ция газоразрядной па-
нели переменного тока:
1 - диэлектрик; 2, 4 -
проводники; 3 - под-
ложка; 5 - рамка
требуемое при первоначальном зажигании (типовые
значения составляют примерно 90 и 150 В соот-
ветственно), так как оно складывается с напря-
жением заряда на обкладках. Данная ячейка не
требует применения ограничивающих резисторов;
их роль играют реактивные сопротивления кон-
денсаторов, обеспечивающие падение напряжения в
цепи.
Конструкция панели переменного тока показа-
на на рис. 19.22. На двух стеклянных подложках
3 расположен набор параллельных вертикальных
2 и горизонтальных 4 проводников, покрытых
слоем прозрачного диэлектрика 1. Между обклад-
ками с помощью герметизирующей рамки 5 обра-
зуется камера, заполненная газовой смесью. Набо-
ры проводников взаимно перпендикулярны, и
в точках их пересечения образуются газоразряд-
ные элементы. При зажигании элемента создается
светящаяся точка. Наборы точек обеспечивают отображение необходимой
информации. Яркость светящихся точек достаточно высока и не зависит
от размерности матрицы.
Для управления такой панелью требуется генерировать напряжения
достаточно сложной формы. Значение импульсного напряжения недоста-
точно для возникновения разряда, но достаточно для его поддержания.
При записи информации в данную ячейку на соответствующую пару пере-
секающихся электродов в интервале между поддерживающими импуль-
сами подаются импульсы записи!, суммарная амплитуда которых доста-
точна для обеспечения разряда. После зажигания ячейки режим горения
поддерживается, как было описано выше. Аналогично для прекращения
разряда (стирание информации) в соответствующий момент времени
подается импульс стирания, который вызывает разряд конденсатора ячей-
ки и понижает напряжение в газовом промежутке до значения, при кото-
ром возникновение повторного разряда от поддерживающего напряжения
невозможно. Для селективного перевода ячеек из одного состояния в
другое используются стабилизированные по уровню импульсы записи
и стирания, синхронизированные поддерживающим напряжением. Ряд
важных преимуществ плазменных панелей делают их одними из наибо-
лее перспективных индикаторов для использования в системах отобра-
жения высокой информативности.
Жидкокристаллические индикаторы. Это сложные органические сое-
динения, характеризующиеся одновременным сочетанием свойств жид-
кости (например, текучестью) и кристалла (оптической анизотропией).
Среди множества веществ такого типа для индикаторов выбирают те,
которые сохраняют свои свойства в достаточно широком диапазоне тем-
ператур (обычно 0-70 °C). Связи между молекулами очень слабы, поэ-
тому структура жидкого кристалла легко изменяется под влиянием внеш-
265
них воздействий например, электрического поля. Анизотропия и возмож-
ность управления перестройкой структуры жидкого кристалла дают воз-
можность использовать два типа оптических эффектов: изменение коэф-
фициента отражения света (при его пропускании) и изменение характера
поляризации лучей при отражении света. Таким образом, в отличие от
описанных выше индикаторов жидкокристаллические ячейки требуют
обязательной внешней подсветки, выполняя роль модуляторов при про-
пускании или отражении света.
Серийно выпускаемые жидкокристаллические индикаторы выпол-
няются в виде единичных знаковых модулей либо в виде небольших табло
из наборов этих модулей. Для отображения требуемой информации верх-
ний электрод делается сегментным и рассеяние света наблюдается только
на тех участках, на которые подано напряжение. Питание индикаторов
осуществляется переменным током, что увеличивает срок их службы,
так как исключает электролитический эффект.
При создании жидкокристаллических дисплеев большой площади
сталкиваются с рядом принципиальных трудностей. Организация мат-
ричной панели с мультиплексированием сигналов по шинам связано со
значительным уменьшением контраста изображения. Непосредственная
же адресация каждого элемента с помощью интегральных ключей сильно
удорожает все устройство. Тем не менее прогресс в этой области идет
достаточно быстрыми темпами. Имеются опытные панели с числом элемен-
тов 128x128 и временем записи кадров в несколько секунд.
Средства отображения коллективного пользования. Большие экра-
ны классифицируют по физическому способу визуализации информации.
Можно выделить следующие основные способы визуализации информации:
с использованием промежуточного фильма, электрографические, телевизи-
онные, деформографические и лазерные.
Принцип действия экранов с использованием промежуточного фильма
состоит в том, что изображение экрана ЭЛТ фотографируется на фото-
пленку. Далее фотопленка поступает в камеру скоростной обработки,
где она проявляется, и после этого поступает в проектор, в котором изо-
бражение с нее проецируется на большой экран. Основные недостатки
таких экранов — задержка в отображении информации, а также сложность
конструкции и процедуры отображения.
Принцип действия электромеханических экранов состоит в том, что
на специальной пластинке или пленке, покрытой непрозрачным слоем,
тонкой царапающей иглой снимается непрозрачный слой и таким образом
создается изображение, которое сразу проецируется на большой экран
(рис. 19.23). Управление положением иглы (точка К) осуществляется
специальными сервоприводами по осям X и Y. Основной недостаток экра-
нов — большое время нанесения данных. Тем не менее экраны, постро-
енные по этому принципу, нашли наиболее широкое применение. Исполь-
зование этого принципа обусловлено простотой конструкции и достаточ-
но высокими яркостью и контрастностью.
Принцип действия телевизионных экранов состоит в том, что элек-
266
тронный луч путем деформации мас-
ляной пленки, которой покрыто
специальное зеркало, наносит на
него изображение. Это изображение
проецируется большой экран.
Оптика выполнена таким образом,
что свет от недеформированных
участков на большой экран не попа-
дает. Основное достоинство таких
экранов — работа в реальном мас-
штабе времени; недостатки — низ-
кая точность, большое время под-
готовки к работе.
В деформографических экранах
для визуализации информации ис-
Рис. 19.23. Изображение информации
на электрографических экранах
пользуется безвакуумный модулятор света, который имеет сложную
структуру, состоящую из прозрачной проводящей подложки — электро-
да, тонкого фотопроводящего слоя, тонкого гибкого металлического
слоя. Электростатическое поле, приложенное между двумя электродами,
деформирует упругий слой так, что образуется поверхностный механи-
ческий рельеф, который соответствует световому рельефу экспонирую-
щего изображения, сфокусированному на фотопроводник. Свет от внеш-
него источника, промодулированный деформацией упругой поверхности,
преобразуется снова в световое (усиленное) изображение с помощью
проекционной оптики.
Экраны на полупроводниковом лазере. Принцип работы заключает-
ся в следующем. В вакуумной ЭЛТ специальной конструкции формирует-
ся высокоэнергетический поток электронов. Мишенью служит неболь-
шая многокристаллическая полупроводниковая пластина. При попадании
электронов в данном месте мишени возникает рекомбинационное коге-
рентное излучение высокой интенсивности в световом диапазоне. Мишень
служит активным диапозитивом с телевизионно-растровым воспроизве-
дением информации. Световое изображение с мишени посредством обыч-
ной оптики воспроизводится на большом экране. Основные недостатки
данного метода: требуется высокое напряжение порядка 70 кВ большой
стабильности; необходимость охлаждения мишени жидким азотом; слож-
ность выращивания полупроводниковой мишени.
Отметим, что в настоящее время наибольшее распространение полу-
чили фотографические, электромеханические и телевизионные методы
визуализации. Состояние разработок больших экранов с различными
принципами визуализации по зарубежным данным иллюстрируется табл.
19.9.
Общие недостатки всех больших экранов: недостаточная надежность
работы; большое время обновления данных (исключая деформографи-
ческий и телевизионный методы визуализации); недостаточные яркость
и разрешающая способность, большие масса и потребляемая мощность.
267
Таблица! 9.9
Технические характеристики СОИ на больших экранах
Большие экраны Усредненные значения Состояние характеристик
Электромеханические 1000 - 2000 линий, от 2,4x2,4 до Серийное производство 5x5 мм, 6-7 цветов
С использованием проме- жуточного фильма Фотохромные с использо- ванием ЭЛТ; 1000 - 2000 линий, задержка 15 с То же 1000 линий, 7 цветов ”
с использованием лазеров Телевизионные (свето- клапанные) Электрографические 2000 линий, 1 цвет Телевизионный стандарт 1000 линий, 3 цвета Экспериментальные об- разцы
Теплопластические Лазерные Деформогр афические 1000 линий, реальный масштаб То же 625 линий, реальный масштаб 800 линий, реальный масштаб, Исследования и разра- 2 цвета ботки
Основным требованием к современным большим экранам является
способность их работать в реальном масштабе времени. Используемые
в настоящее время большие экраны имеют время обновления данных
10 — 15 с. Указанные недостатки приводят к необходимости улучшения
существующих и разработки новых СОИ по типу больших экранов. Ха-
рактеристики перспективных СОИ на больших экранах приведены в табл.
19.10.
Таблица 19.10
Характеристики перспективных СОИ на больших экранах
Перспективные большие экраны Размеры, мм Разрешаю- щая способ- ность Линий Яркость, 1 кд/м' Контраст- ность Время Цветность обновле- изображения ния дан- ных, с
С применением ла- зерной техники 3x3 и более 1000 - 2000 60 - 70 10:1 0,5 - 1,0 Черно-белое или цветное
С применением жидких кристаллов С применением электрохимических элементов 268 1,5x1,5 4x4 1000 1000 80 - 100 20:1 20:1 0,3 Цветное Менее 1 Черно-белое
Продолжение табл. 19.10
Перспективные большие экраны Размеры, Разрешаю- мм щая способ- ность линий Яркость, кд/м2 Контраст- ность Время обновле- ния дан- ных, с Цветность изображения
С применением твердотельных 2x2 500 - 800 0,03 Черно-белое или цветное
элементов
Табло коллективного пользования. До последнего времени разраба-
тывались в основном табло на базе электролюминесцентных индикаторов.
Однако они имели ряд недостатков: непродолжительный срок службы;
неравномерное выгорание отдельных элементов; потеря яркости при ста-
рении; малая яркость цветных растровых индикаторов; сложная схема
коммутации и памяти ддя подключения высокого напряжения их возбуж-
дения; высокая стоимость.
Более перспективными элементами для создания табло коллектив-
ного пользования оказались плазменные и вакуумно-люминесцентные
35-точечные индикаторы. Отличительной особенностью табло на плазмен-
ных панелях является возможность соединения отдельных блоков в панель
индикации без потери шага элементов на стыках.
Характеристики такого блока индикации следующие: число элемен-
тов разложения 64x64; размеры блока 384x384 мм; размер точки индика-
ции 3x3 мм; шаг элементов разложения 6 мм; яркость изображения
80 кд/м2; потребляемая мощность 100 Вт.
Основным преимуществом вакуумно-люминесцентных индикаторов,
используемых для построения табло, является возможность улучшения
качества отображаемой информации. Это осуществляется за счет того,
что каждая из 35 точек образована триадами из трех цветов. Недостаток
таких индикаторов — малый угол наблюдения и наличие бликов.
Сравнительные характеристики табло коллективного пользования
приведены в табл. 19.11.
Таблица19.11
Сравнительные характеристики табло коллективного пользования
Параметр
Значения параметров для табло
электролюмине- вакуумно-люми- на плазменных
сцентных несцентных панелях
Яркость свечения, кд/м2:
зеленого цвета
50 200 - 400 100 - 200
269
Продолжение табл. 19.11
Параметр Значения параметров для табло
электролюми- несцентных вакуумно-люми- несцентных на плазменных панелях
красного цвета 15 80 - 170 —
синего цвета 10 100 - 120 —
Срок службы, ч 500 5000 3000
Количество цветов Геометрические размеры знака, мм: 1 3 1
высота 40 40 42
ширина Возможность масштабирова- 26 27 30
ния размера знака Нет Нет Есть
Напряжение питания индика- 220, 100; 2,8; 200; 9
тора и схем управления, В, и частота, Гц Мощность, потребляемая индикатором со схемой уп- 12,6 В; 6,3 В 50
равления, Вт/знак Долговечность, ч, реализуе- 2,1 1,15 1,0
мая (прогнозируемая) Возможность интеграции 5000(10 000) 10 000(20 000) 5000(10 000)
схем управления — БИС Возможна
Как следует из таблицы, довольно перспективным является способ
индикации на вакуумно-люминесцентных индикаторах (большой срок
службы, высокая яркость и возможность отображения информации в
цветах). Широкое распространение получили табло коллективного поль-
зования на бланкерных элементах. Бланкер может быть выполнен из
сегмента, равного половине круга, одна сторона которого окрашена в
светлый цвет, другая — в темный. Известны устройства, в которых пово-
ротный индикаторный элемент выполнен в виде тела вращения, напри-
мер шарика, управляемого электромагнитом. Табло, построенное из та-
ких элементов, отличается тем, что потребляет энергию только в момент
смены информации.
Мнемосхема. Это условное графическое изображение объекта, нахо-
дящегося под контролем ИИС или управляемого АСУ, которое облегчает
запоминание технологическо-структурной схемы, назначение различных
приборов и органов управления, а также способ действия при различных
режимах работы объекта.
Мнемосхемы могут быть эффективно использованы для контроля
270
(управления) объектов, имеют сложное структурное построение и боль-
шое число контролируемых параметров. Структура объекта может опера-
тивно изменяться в процессе контроля (управления); в цепях оператив-
ного контроля и управления применяются избирательные системы; для
контроля и управления применяются миниатюрные контрольно-измери-
тельные, сигнальные и другие приборы и устройства.
Мнемосхемы могут отображать как общую картину состояния конт-
ролируемого объекта, так и состояние его отдельных частей, значения
параметров и т.п. Мнемосхемы помогают оператору ИИС, работающему
в условиях большого количества поступающей информации, облегчить
процесс информационного поиска (в случаях активной ИИС), подчинив
его определенной логике, диктуемой реальными связями параметров
контролируемого объекта. Они облегчают оператору ИИС логическую
обработку поступающей информации, помогают проводить техническую
диагностику при отклонениях процесса от нормы, создавая внешний фон,
способствуют выработке оптимальных решений и формированию управ-
ляющих воздействий (в случаях активных ИИС).
В основу построения мнемосхемы положен ряд принципов, вырабо-
танных в процессе многолетней практики их применения. Один из основ-
ных — принцип лаконичности, согласно которому мнемосхема должна
быть простой, не должна содержать лишних, затемняющих элементов,
а отображаемая информация должна быть четкой, конкретной и крат-
кой, удобной для восприятия.
При этом системный принцип проектирования мнемосхемы предус-
матривает требование по выделению и использованию наиболее существен-
ных особенностей контролируемых объектов, т. е. на мнемосхеме не сле-
дует применять элементы, обозначающие несущественные конструктив-
ные (или структурные) особенности объекта.
Согласно этому принципу на мнемосхемах в первую очередь необ-
ходимо выделять размерами, формой или цветом элементы, наиболее
существенные для оценки состояния объекта контроля.
Принцип автономности предусматривает необходимость обособления
друг от друга участков мнемосхемы, соответствующих автономно конт-
ролируемым объектам и агрегатам. Эти обособленные участки должны
быть четко разграничены и согласно принципу структурности должны
иметь завершенную, легко запоминающуюся и отличающуюся от дру-
гих структуру. Структура должна отображать характер объекта и его
основные свойства.
В соответствии с принципом пространственного соотнесения элемен-
тов контроля и управления расположение контрольно-измерительных,
индикаторных устройств и датчиков должно быть четко согласовано с рас-
положением соответствующих им элементов управляющих воздействий,
т. е. должен соблюдаться закон совместимости стимула и реакции.
Принцип использования привычных ассоциаций и стереотипов пред-
полагает применение на мнемосхемах таких условных обозначений пара-
метров, которые ассоциируются с общепринятыми буквенными обозна-
271
Рис. 19.24. Условные обозначения параметров технического процесса:
G — расход; Ог - содержание кислорода; Р - давление; + - добавка
химреактива; X — химический состав; W — мощность
чениями этих параметров. При возможности желательно вместо абстракт-
ных знаков принять символы, ассоциирующиеся с объектами и процес-
сами контроля и управления.
На рис. 19.24 приведены параметры, контролируемые САК химико-
технологического процесса, и их условные обозначения (мнемосимволы),
применяемые на мнемосхеме коллективного пользования. Вариант Б
мнемосимволов имеет меньшее число различных признаков по сравнению
с вариантом А, но вариант Б построен по принципу ассоциаций между кон-
фигурацией контуров знаков и начертанием букв, используемых для обоз-
начения различных параметров.
Перспективы развития СОИ. Перспективы развития СОИ необходимо
рассмотреть в двух аспектах - использование МП (или микроЭВМ) при
проектировании СОИ и новых достижений физики для создания наилуч-
ших технических средств отображения информации.
Создание и интенсивное развитие микропроцессорных средств вы-
числительной техники (ВТ), обусловленное совершенствованием техноло-
гии схемотехники БИС и СБИС, исключили возможность перехода к но-
вому поколению средств отображения информации простой заменой эле-
ментной базы. Теперь для создания многофункциональных диалоговых
(интеллектуальных) СОИ требуется изменение как подходов к методам
проектирования, так и самих методов.
В настоящее время при создании СОИ целесообразно использование
программируемых систем, базирующихся на МП и микроЭВМ.
Использование микроЭВМ при создании СОИ позволяет помимо тра-
диционного ввода, вывода и отображения информации осуществлять об-
работку специальной информации, решать фоновые задачи, высвобождая
тем самым процессоры высшего уровня для выполнения других систем-
ных задач.
Структурная схема интеллектуального индикатора, построенного
на базе МП, приведена на рис. 19.25. Основой данной схемы явлется об-
щая шина, объединяющая все входящие в систему устройства. При этом
272
для всех возможных видов пере-
дач информации между устрой-
ствами используется одна и та
же совокупность стандартных сиг-
налов и общие временные диаг-
раммы. Подобный интерфейс дает
определенные преимущества, поз-
воляя обеспечивать единый метод
связи для всех устройств системы,
легко расширять и модернизиро-
вать систему, унифицировать ап-
паратуру сопряжения и др.
Блоки стандартного сопряже-
ния обеспечивают подключение лю-
бого устройства системы к соот-
ветствующим магистралям общей
шины при вызове их адреса, выпол-
нение команд по подготовке их
к работе, операций по приему и
выдаче информации и т. д.
В системе используется МП,
выполенный из одной или нес-
кольких БИС. Его функция: вы-
полнение арифметических и логи-
ческих операций над данными, по-
ступающими из памяти или канала
ввода-вывода информации.
Память индикатора состоит из
электронного ОЗУ, емкость ко-
торого кратна общему количест-
ву элементов индикации всего эк-
рана (при коэффициенте кратнос-
ти, равном единице, пропадает воз-
можность динамического изобра-
жения), и ПЗУ символов и кон-
стант (при построении символьно-
квазиграфического терминала).
В зависимости от решаемых
задач индикатор может иметь раз-
личную периферию, но все пери-
ферийные устройства должны вы-
ходить на шину через устройства
сопряжения, используемые для ор-
ганизации электрической и про-
Рис. 19.25. Структурная схема интеллектуального СОИ
граммной совместимости функциональных узлов.
273
Изучение состояния техники отображения информации показывает,
что к настоящему времени СОИ на основе ЭЛТ занимают доминирующее
положение. Очевидно, сложившаяся ситуация в развитии СОИ еще долго
не будет претерпевать значительного изменения. Это связано с рядом
известных достоинств ЭЛТ, к которым в первую очередь относятся боль-
шая разрешающая способность, яркость, контрастность изображения,
программное управление тональностью и цветностью изображения, а также
с большим опытом их производства и использования. Следует подчерк-
нуть бурное развитие знакографических СОИ на основе цветных ЭЛТ.
Еще долгое время будут удерживать прочные позиции в СОИ электронно-
лучевые осциллографы. С учетом этого ученые работают над совершенст-
вованием ЭЛТ с целью увеличения их механической прочности и надеж-
ности, обеспечения многоцветное™ при высокой яркости свечения и
хорошей разрешающей способности, получения более плоской конструк-
ции и т.д.
В последнее время проводились интенсивные исследования и разра-
ботки в области создания дискретных СОИ на плоских экранах, к преиму-
ществам которых следует отнести:, возможность построения устройств
отображения без промежуточного преобразования ’’код—аналог”; высокую
точность отображения информации, зависящую только от числа строк
и столбцов экрана; плоскостность и механическую прочность конструк-
ции; высокую надежность и эффективность функционирования; отсут-
ствие источников высокого напряжения; возможность создания больших
плоских экранов; хорошую сопрягаемость с ЭВМ и другими средствами Вт.
К числу перспективных относят СОИ на матричных газоразрядных,
жидкокристаллических и светодиодных панелях.
Проводимые исследования в области совершенствования матричных
панелей и экранов направлены на решение ряда актуальных задач. К ним
относятся: повышение средней яркости свечения и контрастности экранов
с большим числом строк и столбцов; увеличение числа элементов индика-
ции в экранах и панелях; конструктивная доработка панелей и разработка
методов с целью управления яркостью свечения элементов индикации
панелей для получения полутоновых изображений; обеспечение идентич-
ности электрических и светотехнических характеристик всех элементов
индикации экранов и панелей; создание экранов и панелей с возможностью
воспроизведения цветных изображений; повышение надежности и быст-
родействия матричных панелей, уменьшение стоимости и потребляемой
мощности, совершенствование технологии изготовления.
Одна из важнейших и перспективных задач — создание быстродей-
ствующих плоских экранов и панелей для воспроизведения многограда-
ционных изображений, у которых элементы индикации, памяти и низко-
вольтной схемы управления будут изготовляться по единой технологии.
В настоящее время проводятся работы, направленные на создание
СОИ с использованием сегнетоэлектрических материалов, а также мате-
риалов с магнитооптическими, электрохимическими и другими свойства-
ми. Весьма перспективны устройства отображения на лазерах, созданию
и исследованию которых уже посвящено много работ.
274
Перспективно направление работ по созданию устройств и систем,
воспроизводящих объемные изображения. Исследования показывают,
что в этом направлении к числу перспективных относятся голографические
устройства. Для создания и внедрения таких устройств необходимы: вы-
сокочувствительные регистрирующие среды, обеспечивающие многократ-
ную запись и стирание информации; более совершенные источники лазер-
ного излучения, эффективные вычислительные процедуры, позволяющие
синтезировать сложные голограммы при приемлемых затратах машинного
времени; запоминающие устройства (от сотен мегабайт до десятков ги-
габайт), более совершенные ЭВМ с высокой скоростью выполнения опе-
раций (свыше 100 млн. оп/с), т. е. суперЭВМ. Достижения в области мате-
риаловедения, лазерной и вычислительной техники дают основание пред-
полагать, что при внедрении больших и мини-суперЭВМ голография будет
использоваться в целях отображения информации, а при создании опто-
электронных ЭВМ (ЭВМ пятого поколения) голографические СОИ найдут
широкое применение.
В заключение этого раздела отметим, что в целом объект контроля
характеризуется как источник информации с некоторым множеством
явлений, подлежащих восприятию. Это множество интерпретируется рядом
информативных значений параметров в некоторой области, называемой
информационным портретом данного объекта. Более подробно вопросы
отображения динамической информации рассмотрены [1.2] .
§ 19.5. Методы и устройства регистрации-измерительной
информации
Устройства регистрации (УР) образуют обширный класс СОИ. С по-
мощью УР осуществляется запись информации на носитель с целью допол-
нительного использования ее потребителем — оператором или ЭВМ. Если
потребитель информации — оператор, то форма представления ее должна
быть удобной и привычной для восприятия. Если потребитель — ЭВМ,
то наиболее целесообразна кодовая форма представления информации.
В ряде случаев зафиксированная на носителе информация должна быть
пригодной для надежного применения ее в машине и для широкого ис-
пользования оператором без дополнительной переработки.
Носитель записи — тело, которое под воздействием внешних источ-
ников энергии, управляемых сигналами информации, изменяется коли-
чественно или качественно. Неоднородности, возникающие на носителе
в процессе записи и являющиеся признаком зафиксированной на нем
информации, могут вноситься на то или иное время. В зависимости от
того, как распределяются неоднородности, носители разделяются на точеч-
ные, линейные, плоские и объемные.
Процесс внесения качественных или количественных изменений на
носитель называют записью информации, а источник возбуждения, воздей-
ствующий на носитель при записи, — органом записи. В ряде случаев орган
записи воздействует на носитель через посредника, который может преоб-
275
разовать вид возбуждения, например усилить его. Часто для получения
информации в виде, пригодном для дальнейшего использования, носитель
после записи подвергают дополнительной обработке и в случае необходи-
мости переносят на другие носители, называемые соответственно промежу-
точными или оконечными. Перенос информации с одного носителя на
другой без промежуточного преобразования в электрические сигналы
называют печатью. Совокупность операций и процессов, в результате кото-
рых информация переносится от ее источника на оконечный носитель,
называют регистрацией информации. Процесс устранения созданных при
записи неоднородностей на носителе называют стиранием информации.
Поток энергии, создаваемый органом записи, воздействует на носи-
тель непосредственно, через посредника или через, промежуточный носи-
тель. Воздействие может передаваться от органа записи как с помощью
контакта, так и бесконтактно. При контактном методе регистрации энер-
гия от органа записи передается носителю или Посреднику только через
надежный контакт между ними. Прй квазиконтактном методе такой кон-
такт не обязателен, однако зазор между органом записи и носителем соиз-
мерим с размером рабочей части записывающего элемента и весьма мал
(десятки мкм). При бесконтактном методе регистрации возбуждения
передаются на расстояния, значительно превышающие размеры рабочей
части органа записи, при допустимых потерях энергии возбуждения и
поверхностной плотности записи.
Устройства регистрации подразделяют на устройства с механичес-
ким воздействием на носитель и с немеханическим воздействием. К уст-
ройствам с немеханическим воздействием на носитель относятся УР с
электромагнитным, химическим и тепловым воздействиями электри-
ческого тока, с воздействием магнитного и электрического полей и ком-
бинированные.
В устройствах, реализующих механическое воздействие на носитель,
используются карандашный, чернильный, струйный, перфораторный и
печатный способы регистрации. Последний способ, в свою очередь, подраз-
деляется на ударный, под натиском, трафаретный и магнитотрафаретный.
В устройствах, основанных на электромагнитном воздействии на но-
ситель, реализуются фотографический, фотопластический и другие спо-
собы регистрации.
В устройствах регистрации с химическим и тепловым воздействиями
электрического тока на носитель используются электрохимический, иск-
ровой, плавильный, термохимический и термохроматический способы.
При использовании воздействия магнитного и электрического полей
на носитель применяется магнитная, магнитохимическая, магнитоориен-
тационная, электрофотографическая, тештопластическая и электростати-
ческая записи (в газовой среде и вакууме), а также запись ’’эйдофор”.
Устройства регистрации, основанные на комбинированных способах,
подразделяют на электростатографические, феррографические и электро-
фотографические с нанесением слоя красителя.
По виду информации, отображаемой на носителе, УР подразделяют
276
на знаковые, графические и универсальные, а по методу формирования
знаков — на знакофиксирующие и знакосинтезирующие; у последних
синтез знака осуществляется с помощью матриц, состоящих из элемен-
тов регистрации — точек, отрезков прямых или кривых линий и т.д.
По способу формирования печатной строки УР подразделяют на уст-
ройства последовательного, параллельного и последовательно-параллель-
ного действия.
В процессе работы устройства регистрации, как правило, принимают
информацию от ЭВМ, обеспечивая кратковременное запоминание, преоб-
разование и регистрацию. Прием информации от ЭВМ, фиксация в запо-
минающем устройстве ЗУ на время, необходимое для регистрации, и пре-
образование ее осуществляются устройством управления. Запоминающее
устройство может быть рассчитано на запись всех знаков строки (100 —
250 знаков) или на запись одного знака (одного байта), либо одного ма-
шинного слова (4 — 10 байт). В первом случае ЗУ является блоком сопря-
жения УР с процессором ЭВМ и обеспечивает небольшое время связи,
во втором случае оно выполняется в виде регистра с необходимым чи-
слом разрядов и на процессор возлагается часть функций управления
печатью. Время связи значительно возрастает, хотя затраты на оборудо-
вание УР уменьшаются. Вывод знаков на регистрацию и их печать осу-
ществляется печатающим механизмом ПМ.
Быстродействие УР определяется скоростью регистрации информа-
ции, поступающей на его вход, и существенно зависит от вида устройства
и скорости протекания в нем физических, химических и других процес-
сов. Часто скорость этих процессов оценивают по частоте следования им-
пульсов возбуждения и их длительности при условии получения заданного
выходного эффекта. В ряде случаев быстродействие определяют отно-
сительной скоростью перемещения органа записи и носителя. Под быстро-
действием печатающих УР понимают количество знаков или строк, фик-
сируемых на носителе в единицу времени.
Широкая область применения ЕС ЭВМ в системах сбора, передачи
и обработки информации, информационно-поисковых и других системах
обеспечена большой номенклатурой ПУ. Указанные ПУ позволяют реализо-
вать внешнюю память большой емкости и использовать различные виды
представления данных при вводе-выводе информации, организовать работу
в режиме диалога оператора с машиной, а также работу системы теле-
обработки абонентными пунктами и линиями связи.
Рассмотрим особенности и характеристики периферийных устройств
ЕС ЭВМ, относящихся к механическим УП. Устройства ввода информа-
ции с перфокарт (ЕС-6012, ЕС-6013, ЕС-6016) используются в ЭВМ еди-
ной серии. Информация на стандартных восьмидесятиколонных перфокар-
тах нанесена в виде системы пробивок: кодирование информации на носи-
теле — в коде КПК-12, а на выходе устройств — в коде ДКОИ. Предельная
информационная возможность одной колонки 212 =4096 символов.
Механизм передачи, транспортировки и укладки перфокарт обеспе-
чивает поочередное перемещение перфокарт от подающего к приемному
277
карману С протяжкой их через блок фотоэлектрического считывания.
По тракту движения перфокарт расположены датчики контроля, сигнали-
зирующие о положении основных элементов механизма. ;
Устройство ввода информации с перфоленты (ЕС-6022С БКС) поз-
воляет считывать информацию с пяти-, шести-, семи- и восьмидорожечных
перфолент фотоэлектрическим способом. Скорость ввода информации
1500 строк/с. Устройство позволяет устанавливать режимы ввода с соот-
вествующей перфоленты, контроля считываемой информации на четность
или нечетность, блокировки информации с восьмой дорожки, задавать
мультиплексный или монопольный режим ввода и др.
Устройства вывода информации на перфокарты (ЕС-7010, ЕС-7012,
ЕС-7013) могут работать как в мультиплексном, так и в монопольном
режиме и подключаются к мультиплексным или селекторным каналам
ЕС ЭВМ через стандартный интерфейс ввода-вывода (рис. 19.26).
Устройство кроме подающего имеет по два приемных кармана на
700 перфокарт каждый. Информация из канала принимается побайтно.
Блок сопряжения обеспечивает стандартное сопряжение с каналом ЕС
ЭВМ через интерфейс ввода-вывода. Он обеспечивает декодирование,
выдачу в канал адреса, присвоенного данному устройству, установление
Рис. 19.26. Схема устройства вывода
информации на перфокарту:
БСК - блок сопряжения с каналом;
УПИ — узел перекодирования инфор-
мации; СПФУС - схема приема и
формирования управляющих сигна-
лов; РгИ — регистр информации;
. СВП — схема выделения позиции;
БУ - блок управления; СПК — схема
преобразования кодов; КК — кон-
троллер контактов; УП - усилитель
пробивки; — усилитель; БУП —
блок управления перфоратором; П —
перфоратор; ШИ - шина информаци-
онная; СУ — сигналы управления;
БК - блок контроля карт
278
связи с каналом, преобразование по-
следовательностей сигналов, поступа-
ющих из канала, и кодов команд в
наборы сигналов управления и тд.
Блок сопряжения обменивается уп-
равляющими сигналами со схемой
приема и формирования управляющих
сигналов (СПФУС). По информацион-
ным шинам байты данных передают-
ся в узел перекодирования информа-
ции УПИ, а код команды — СПФУС.
Узел перекодирования информации
обеспечивает преобразование восьми-
разрядных комбинаций ДКОИ в две-
надцатиразрядные комбинации КПК-
12 с разделением каждой комби-
нации на две шестиразрядные части
в регистре информации РгИ. Инфор-
мация, записываемая на любой колон-
ке перфокарты, разделяется на две
части, ОЗУ является буферным нако-
пителем информации. Блок управле-
ния обеспечивает запись кодов и
считывания их из ОЗУ. Данные из
канала поступают в виде параллель-
но-последовательного кода, ориенти-
рованного по колонкам, а перфо-
рация осуществляется по строкам перфокарты. Схема выделения пози-
ции обеспечивает ’’разворот” поколонного кода в построчный. Схема
преобразования кодов преобразует последовательные коды строк в па-
раллельные и распределяет позиционные сигналы по усилителям про-
бивки УС и УП, связанным с электромагнитным перфоратором П. В слу-
чае ошибки схема управления СУ выдает сигнал, по которому карта с
ошибкой направляется в карман брака. Блок управления перфоратором
формирует необходимые синхросигналы и сигналы позиций для управ-
ления перфоратором, управляет работой основного приводного двига-
теля подачи карт, блоком карт БК, их перфорацией и дальнейшей посыл-
кой в приемные карманы.
Устройство вывода информации на перфоленту (ЕС-7022) создано
на базе механизма ПЛ-150. Оно выполняет команды вывода с модифика-
циями, разрешающими перфорацию признака окончания записи в конце
выведенного массива. Оснащение устройства позволяет производить за-
правку перфоленты, набирать любой код признака конца записи, устанав-
ливать режимы вывода. Подключение к стандартному каналу осущест-
вляется через интерфейс ввода-вывода. Скорость перформирования —
150 строк/с.
Рассмотрим схему алфавитно-цифрового печатающего устройства
(рис. 19.27). Блок сопряжения обеспечивает функции, необходимые при
обмене информацией между каналом и устройством через стандартный
интерфейс ввода-вывода.
Дешифратор команд ДШ, регистр состояния (РгС) и регистр уточнен-
ного состояния (РгУС) обеспечивают расшифровку байта команды, фор-
мирование и хранение байтов основного и уточненного состояний.
Информация для печати направляется с блока сопряжения БСК в
блок управления записью БУЗ, который задает и поддерживает режимы
Рис. 19.27. Схема устройства вывода информации на перфоленту:
БСК — блок согласования с каналом; РгС - регистр состояния;
ДШ — дешифратор; РгУС - регистр уточненного состояния; БН -
буферный накопитель; БУП — блок управления печатью; БУМ —
блок управления печатающим механизмом; ПМ - печатающий
механизм
279
записи и печати. После записи информации в буферный накопитель БН
устройство переключается в режим печати.
Блок управления печатью БУП совместно с буферным накопителем
обеспечивает управление печатающим механизмом БУМ при выводе ин-
формации на ПМ. Блок управления печатью управляет работой накопите-
ля и формирует сигналы для включения электромагнитов печати.
Пишущие машинки в Б СК предназначены для обмена информацией
между оператором через стандартный интерфейс ввода-вывода. Исполь-
зуя клавиатуру пишущей машинки, оператор может вводить данные в
ЭВМ и одновременно печатать их на бумаге. Пишущие машинки обес-
печивают вывод небольших массивов данных, вывод содержимого выб-
ранных ячеек основной оперативной памяти, печатание коротких сооб-
щений в автономном режиме. Устройства могут работать как в мультиплекс-
ном, так и в монопольном режиме.
Устройства подготовки данных УПД используются для нанесения
кодов на перфокарты, перфоленты или магнитные ленты. Устройство
УПД ЕС-9012 обеспечивает нанесение информации на стандартные 80-
колонковые перфокарты в виде системы пробивок по перфораторному
коду КПК-12.
Карточный перфоратор ЕС-9015 предназначен для ручной записи ал-
фавитно-цифровых данных на 80-колонковых перфокартах. Данные пер-
вичных документов сначала вводятся с помощью клавиатуры в ЗУ ем-
костью в одну перфокарту, а потом поколонно наносятся на перфокарту
и одновременно распечатываются на ее верхнем крае. Программирова-
ние выполняется с помощью перфокарты программы и накопителя ко-
манд управления.
Контрольник перфокарт ЕС-9018 служит для ручного контроля пра-
вильности записи алфавитно-цифровой информации на 80-колонковых
перфокартах.
Устройство подготовки на перфоленте записывает алфавитно-циф-
ровую информацию на перфоленте с помощью клавиатуры пишущей ма-
шинки и одновременно печатает эту информацию на бланке; контролиру-
ет данные, нанесенные на перфоленте путем сравнения с исходной инфор-
мацией, набираемой на клавиатуре; распечатывает информацию с перфо-
ленты на бланк, сравнивает две перфоленты между собой.
Устройство ЕС-9901 предназначено для подготовки данных на маг-
нитной ленте с целью непосредственной обработки на ЕС ЭВМ и может
работать в двух режимах: запись данных оператором с помощью алфа-
витно-цифровой клавиатуры и печать данных, считанных с магнитной лен-
ты, при подключении к устройству пишущей машинки. Устройство состоит
из магнитной ленты, блока управления с буферной памятью и алфавитно-
цифровой клавиатуры:
Программа формирования вводится в устройство с клавиатуры или
. магнитной ленты. Вводимые данные контролируются, формируются
и записываются в буферной памяти блока управления.
Графические регистрирующие устройства ЕС-7051, ЕС-7057 и ЕС-7053
280
предназначены для вычерчивания чертежей, планов, графиков, принципи-
альных и функциональных электрических схем, метрологических карт
и других по данным, поступающим через стандартный канал из ЭВМ или
от устройства ввода с перфоленты, магнитной ленты или перфокарты.
Устройства состоят из блока преобразования данных блока управ-
лений узлами электромеханического построения графиков. В основу ра-
боты положено преобразование по заданному закону параллельных дво-
ичных кодов в унитарный код, который затем преобразуется в линейное
перемещение пишущего элемента в прямоугольной системе координат.
Вопросы для самоконтроля
1. Каково основное назначение и какие имеются разновидности унифицирую-
щих измерительных преобразователей?
2. Расскажите о назначении и принципах действия измерительных коммутаторов.
3. Приведите структуру микропроцессора.
4. Приведите классификацию средств отображения измерительной информации.
5. Каковы основные технические характеристики СОИ?
6. Каковы основные физические принципы отображения информации?
7. Какие методы регистрации измерительной информации вы знаете?
8. Какие устройства регистрации информации вы знаете?
Г Л А В А 20. СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
§ 20.1. Разновидности измерительных систем,
их особенности
Измерительные системы предназначены для получения и выдачи из-
мерительной информации о состоянии объекта, которое представляется
физическими величинами (масса, геометрические размеры, линейные
и угловые перемещения, температура, сила и др.).
В общем виде физическую величину можно описывать непрерывной
функцией x(t), изменяющейся по времени t, или непрерывной функцией
x(t, А), изменяющейся по времени и распределенной в пространстве
А [1.1] .
Измерение непрерывной функции x(t)\x(t, А/1 сводится к измерению
множества значений физической величины:
x(t) = {xftjj} , 1 = 1,2, ...,п
или
х(7, A)=/x/’rf,A/.)J, i=l,2, / = 1,2,3...
Если состояние объекта представляют множеством физических вели-
чин, то результаты измерения объединяются в виде информационного
блока, содержащего код состояния объекта в момент времени, при кото-
281
УОН ----* УВИ —*
Рис. 20.1. Упрощенная структура
измерительных систем:
ИК - измерительный канал; УОИ -
устройство обработки информации;
УВИ — устройство выдачи инфор-
мации; ИИ— измерительная информа-
ция
ром производится измерение. Таким образом, состояние объекта пред-
ставляется в виде кода позиционного номера физической величины и
кодов цифрового измерения значений физических величин.
Для реализации процедур получения и вьщачи измерительной инфор-
мации, как показано на рис. 20.1, в общем случае ИС содержит измери-
тельные каналы ИК, устройство обработки информации УОИ и устрой-
ство выдачи информации УВИ. Измерительный канал для восприятия и
измерения физических величин х и представления результатов измерения
в виде множества импульсных или кодовых сигналов. После обработки
измерительных сигналов в УОИ по заданному алгоритму осуществляется
формирование измерительной информации ИИ. При этом УВИ осущест-
вляет вывод полученной информации из системы в графической или маши-
нописной форме или осуществляет накопление данных в накопителях
информации.
Измерительный канал фактически представляет собой аналого-циф-
ровую часть системы в виде совокупности датчиков, аналоговых преобра-
зователей и аналого-цифровых преобразователей.
Структурная схема измерительного канала с параллельным способом
восприятия и измерения физических величин представлена на рис. 20.2.
Параллельный способ измерения физических величин можно осущест-
Рис. 20.3. Структурная схема из-
мерительного канала с одной ме-
рой
ного канала с параллельным способом
восприятия информации:
Д - датчик; СУ — сравнивающее устрой-
ство; М - мера; Р — результат; АП —
аналоговый преобразователь
282
влять с использованием одной регулируемой меры М, как показано на
рис. 20.3.
При использовании низкоомных и низкочастотных датчиков аналого-
вое преобразование и измерение физических величин можно осуществить
последовательным способом. Структурная схема последовательного изме-
рительного канала показана на рис. 20.4. Сигналы, получаемые от датчиков
Дх -Дп с помощью коммутатора К, последовательно подключаются на
вход АП к далее после СУ представляются в виде результатов Р{.
На рис. 20.5 представлена структурная схема измерительного канала
с использованием системного датчика СД, работающего от сканирующего
устройства СкУ.
Использование МП в составе измерительных каналов позволяет опти-
мизировать решение задач передачи, фильтрации и улучшения характерис-
тик датчиков и др. К таким измерительным каналам через машинный
интерфейс может подключаться микроЭВМ, предназначенная для первичной
обработки результатов измерения, представляемых в виде кодовых сиг-
налов.
В зависимости от специфики восприятия состояния объекта и пред-
ставления результатов измерений на выходе измерительного канала в
задачу цифровой обработки может быть включено:
получение цифрового кода результатов измерений физических вели-
чин путем обработки выходных импульсных сигналов измерительного
канала;
формирование измерительной информации путем обработки и объе-
динения кодовых сигналов, получаемых на выходе измерительного канала;
цифровая обработка результатов косвенных измерений и др.
В качестве устройства цифровой обработки результатов измерения
могут быть использованы специализированные цифровые устройства,
микропроцессорные системы, микроЭВМ и др.
Потребителем измерительной информации может быть человек-опе-
ратор, исполнительный механизм, ЭВМ, сеть ЭВМ и др.
Вывод информации из измерительной системы производится в виде
графика или алфавитно-цифрового текста (для человека-оператора),
либо в виде последовательности байтов (для исполнительного механизма).
Рис. 20.4. Структурная схема последо-
вательного канала
Рис. 20.5. Структурная схема измери-
тельного канала с системным датчиком:
СД - сканирующий датчик; СкУ -
схэни**!уюхи^сс устройство
283
В гл. 17 была приведена классификация и назначение ИС. Ниже даны
примеры реализации структурных схем ИС в зависимости от организации
восприятия состояния объекта.
Многоточечные измерительные системы. Для объектов, состояния
которых представляются однотипными физическими величинами, напри-
мер деформация, возникающая на различных участках механизмов при
воздействии на него статической нагрузки, в основном используются
тензорезистивные датчики, размещенные в определенных точках кон-
струкции. Такой объект, состояние которого представляется однотип-
ными физическими величинами, рассматривают как многоточечный. Ста-
тический характер изменения физических величин во времени x(t, Л.)
позволяет использовать для них структуру многоточечных измерительных
систем.
Структура и состав измерительного канала определяются основны-
ми характеристиками тензорезисторных датчиков.
Все вопросы восприятия состояния многоточечных объектов с исполь-
зованием тензорезисторных датчиков удачно решены выпускаемой при-
боростроительной промышленностью системой типа К732, структурная
схема которой приведена на рис. 20.6. Система состоит из измерительного
канала типа К732/1 и блоков выдачи измерительной информации. Изме-
рительный канал содержит коммутатор Ф7017 для тензорезисторных
датчиков и цифровой измерительный мост Ф7018. К коммутатору Ф7017
предъявляется ряд требований, для выполнения которых он изготавлива-
ется совместно с аналоговым преобразователем.
В измерительном канале К732/1 предусмотрена возможность 2-
и 3-проводного включения термокомпенсационных терморезисторов,
а также использование одного или двух компенсационных термо-
резисторов.
Для коммутации терморезисторов используются магнитоуправляе-
мые контакты реле РЭС-44. Последовательность срабатывания реле оп-
ределяется управляющей матрицей, имеющей 16 строк и 8 столбцов, управ-
ляющее напряжение поступает от усилителей дешифраторов, связанных
со счетчиками номера канала коммутации. Режим коммутации — непре-
рывный, кодовый, циклический, а также адресный.
Цифровой мост типа Ф7018 обеспечивает измерение относительного
сопротивления терморезисторных датчиков с погрешностью 0,1 — 0,5 %.
Измерительная информация из системы выводится во внешнее устройство
в нормальном двоичном коде последовательно: номер цикла опроса дат-
Рис. 20.6. Структура промышленных
ИС:
К732/1 - измерительный канал;
Ф7017 - коммутатор; Ф7018 —
измерительный мост; Ф7020 - блок
управления; Н708 - фоторегистра-
тор; ПЛ-150 - перфоратор лен-
точный; ЭУМ - электроуправляющая
машинка
284
Рис. 20.7. Цифроаналоговый преобразователь:
а — структурная схема; б — временная диаграмма
(Сч - счетчик; R-2R - матрица сопротивлений)
чиков — 9 разрядов; номер измерительного канала — 7 разрядов; отсчет
значения измеряемой величины — 11 разрядов.
Система обеспечивает возможность регистрации измерительной ин-
формации с помощью пишущей машинки типа ЭУМ-238 на бумаге; на-
копление измерительной информации производится записью данных на
перфоленте с помощью машинного перфоратора типа ПЛ-150; графичес-
кий вывод измерительной информации осуществляется с помощью элек-
тронного фоторегистратора Н708 с экрана ЭЛТ. Управление выводом
измерительной информации из системы осуществляется с помощью бло-
ка Ф7020.
Мультиплицированные измерительные системы. В случае представ-
ления состояния объекта однотипными физическими величинами целесо-
образно получение и выдача измерительной информации, осуществляемые
с помощью мультиплицированных ИС.
В последнее время для построения мультиплицированных измери-
тельных каналов в качестве образцовой меры используются ЦАП с линей-
но-ступенчато изменяющимся (компенсирующим) сигналом:
ик = А<О/2”Д ,=0’ 1>2...
где uQ — образцовое напряжение постоянного тока; i — входные импульсы;
и — количество разрядов счетчика импульсов.
Длительность Тк выходных сигналов ЦАП определяется периодом
Т входных импульсов:
’ Тк =ТО2П-
На рис. 20.7 представлены структурная схема ЦАП (рис. 20.7, с) и
диаграмма выходного сигнала (рис. 20.7, б). Как видно из рисунка, ЦАП
состоит из счетчика Сч и матрицы сопротивления R — 2R и формирует
на выходе линейно-ступенчатое напряжение и*, пропорциональное числу
выходных импульсов с периодом Т . С выхода Сч на другие блоки вы-
даются коды z значения выходного напряжения мк.
На рис. 20.8 представлена структурная схема мультиплицированного
измерительного канала, содержащего восемь подканалов. Выходные сиг-
285
Рис. 20.8- Структурная схема мультиплицированной ИС:
Т — триггер; R - логическая схема ИЛИ
налы Д1 - Д8 нормируются с помощью аналоговых преобразователей
АП1 - АП8 и подаются на вход сравнивающих устройств СУ1 - СУ8,
на вторые входы которых подается линейно нарастающее напряжение
нк с выхода ЦАП. В момент совпадения уровня сигнала подканала и*. =
=«к срабатывает СУ(. и его состояние входным импульсом TQ записывается
в триггер 7\. При установке одного из Т. формируется сигнал ’’Готов на
обслуживание” (схема ИЛИ). По этому сигналу система осуществляет
опрос всех схем И и та схема, на входе которой имеется сигнал соответ-
ствующего Т., выставляет свой сигнал PC..
Рис. 20.9. Обобщенная
структурная схема муль-
типлицированной ИС:
ИК - измерительный ка-
нал; ЦОИ - цифровая об-
работка информации;
’’Консул 260” - печатаю-
щая машинка
х,
286
В обобщенном виде структурная схема восьмиканальной мультипли-
цированной измерительной системы представлена на рис. 20.9. Система
состоит из измерительного канала ИК, устройства цифровой обработки
ЦОИ и устройства выдачи информации (пишущая машинка типа ’’Консул”
206” и дисплей.
При получении результата измерений ИК формирует сигнал ’’Запрос”,
от которого ЦОИ начинает последовательно формировать сигнал ”Опрос1 -
опрос8 ” и по ответному сигналу PCi выявляется номер подканала. По
сигналу PC. формируется адрес канала, по которому производится запись
кодового (?к) значения физической величины х.. После завершения цикла
опроса на вход ЦАП подается очередной импульс TQ и этот процесс продол-
жается до получения цифрового значения всех физических величин. После
завершения одного цикла измерения полученная измерительная информа-
ция выводится на пишущую машинку ”Консул-260” или отображается
на экране дисплея.
В качестве устройства цифровой обработки информации в мульти-
плицированных ИС можно использовать микроЭВМ типа ’’Электроника
60М”, либо ’’Электроника ДЗ-28”, или контроллер ’’Электроника К1-20”.
Сопряжение измерительного канала с интерфейсом микроЭВМ ’’Электро-
ника 60М” производится • с помощью, например, приборного интерфейса
МЭК. Часто программные средства микроЭВМ в таких системах исполь-
зуются для повышения метрологических характеристик измерительных
каналов с использованием методов автоматической коррекции погреш-
ностей.
Сканирующие измерительные системы. Сканирующие ИС предназ-
начены для получения измерительной информации о состоянии поля фи-
зических величин.
Восприятие состояния поля осуществляется сканирующим (систем-
ным) датчиком, преобразующим изображение исследуемого поля в элек-
трические сигналы. В этих устройствах используются механические, элек-
тромеханические, оптико-механические и фотосканирующие элементы.
Сканирующие ИС применяются для контроля температурных полей на-
гретых объектов, для контроля состояния печатных плат, для контроля
качества обработки на больших поверхностях и т.д. Кроме того, скани-
рующие измерительные системы используются для распознавания образов,
чтения печатных знаков, считывания графиков и др,
В зависимости от способа организации изображения поля измеритель-
ные каналы сканирующих ИС подразделяют на параллельные и последова-
тельные ИК. В параллельных сканирующих ИС восприятие физической
величины осуществляется одновременно для всех элементов контроли-
руемого поля. В последовательных сканирующих ИС восприятие инфор-
мации осуществляется последовательно от одного элемента к другому.
В зависимости от способа управления процессом восприятия скани-
рующие элементы подразделяют на две группы: пассивные и активные.
При пассивном способе сканирования процесс восприятия органи-
зуется по заранее заданной траектории, которая не изменяется в зави-
287
симости от свойств и характера изображения. При активном сканиро-
вании поля траектория восприятия управляется в зависимости от свойств
и характера изображения.
В качестве примера рассмотрим принцип построения сканирующих
ИС для восприятия и цифрового преобразования параметров графических
изображений.
В медицине, геофизике, метрологии, при промышленных испытаниях
и в других областях науки и техники с помощью регистрирующих при-
боров документируется огромное количество графических зависимостей,
При автоматизации обработки с помощью ЭВМ этих графических материа-
лов приходится затрачивать много времени на восприятие и цифровое
преобразование параметров графиков и выдачу полученных результатов
в ЭВМ. Для уменьшения затрат времени и объема труда на расшифровку
кривых разработаны и серийно выпускаются промышленностью полуав-
томатические преобразователи графиков. Графическая запись измеряемых
величин на плоскости может воспроизводиться в виде непрерывной функ-
ции времени x(t), как показано на рис. 20.10, а, либо замкнутой кривой
х ~ f(y)i как на рис. 20.10, б. При записи нескольких измеряемых вели-
чин на одном носителе графики могут не пересекаться либо пересекаться.
График характеризуется яркостью и цветным тоном. Яркость запи-
си необходима для восприятия положения кривой графика на уровне
шумов, образованном цветным фоном поверхности носителя. Толщина
кривой влияет на точность и надежность восприятия параметров и графи-
ков. Минимальная толщина кривой определяется разрешающей способ-
ностью датчика восприятия информации.
Сканирующие устройства для восприятия параметров графиков мо-
гут быть построены на оптико-механических и электронных датчиках.
Сканирующее движение обеспечивается перемещением графиков отно-
сительно чувствительного элемента или развертыванием графиков с по-
мощью перемещающегося луча. Способ развертывания графиков с переме-
щением луча в практике нашел широкое применение.
Структурная схема сканирующей измерительной системы с оптико-
механическим сканирующим устройством и микроЭВМ представлена на
рис. 20.11.
Сканирующим устройством обеспечивается развертывание графиков.
С помощью лентопротяжного механизма (ЛПМ) лента с записанной ин-
Рис. 20.10. Кривые зависимости x(t)
их(у)
288
формацией (кривой) может пере-
мещаться непрерывно либо поша-
гово. Выход ИК сканирующих ИС
легко сопрягается с магистралью
микроЭВМ.
Параметры графика с помощью
сканирующего ИК преобразуют в
кодовые сигналы z , которые через
контроллер К передаются в мик-
роЭВМ, где производится обработ-
Рис. 20.11. Структурная
схема сканирующей ИС
с микроЭВМ:
ЛПМ — лентопротяжный
механизм; К - контрол-
лер; ПЛ — перфоратор
ленточный; Д — дисплей
ка результатов измерений, накопление их на перфоленте с помощью пер-
форатора ПЛ и отображение информации в виде графика на экране дис-
плея Д. После завершения цикла измерения одной ординаты производится
протяжка графика с помощью лентопротяжного механизма на один шаг
и т.д. по всей длине исследуемой кривой. Использование ЭВМ позволяет
ввести в работу системы определенные коррективы: оператор может
восстановить участки кривой там, где толщина линии меньше, чем разре-
шающая способность фотодатчика; осуществить фильтрацию помех, воз-
никающих из-за наличия пятен на поверхности носителя, и т.д. Путем
использования алгоритмов цифрового преобразования и обработки можно
обеспечить измерение замкнутых кривых, непересекающихся кривых
и др-
Статистические измерительные системы. При экспериментальном ис-
следовании характеристик случайных процессов производится измерение
параметров непрерывной функции xjt) по ансамблю реализаций
где х = 1, 2,..., т. Ансамблем значений случайного процесса также является
множество '’п^ >взятых в определенный момент вре-
мени t..
Случайные процессы могут быть заданы в непрерывном или в кван-
тованном во времени виде. В квантованном виде функция задается вы-
боркой П дискретных значений функции, взятых через определенный
интервал времени Д/. Если случайный процесс является стационарным
и эргодическим, то определение случайной характеристики достаточно
производить по одной реализации.
Источниками погрешностей оценки характеристик являются дискре-
тизация во времени случайных процессов, квантование по уровню, спосо-
бы восстановления статистических функций по измеренным значениям
их в дискретные моменты времени. Интегральная функция распределения
вероятностей определяется вероятностями нахождения исследуемого
процесса ниже уровня х, который может изменяться от — до + 00:
F(x) = p [— 00 < x(t) < х] .
По определению,F (— °°) =0,Е(+оа) =1.
Плотность распределения вероятностей
10- 1431
289
р(х) = dF(x)/dx
или
p(x)dx =р [х <x(t) <x+dx] .
Измерение функции распределения производится путем суммирова-
ния отрезков времени т., в течение которых выполняются неравенства
*(t)< х, и отнесения получаемой суммы ко времени наблюдения:
s т.
F(x) = lira ;
/ —>оо 1
для плотности вероятности
S Ti
р(х, Lx) = lim •
У —>оо
Дх-»0
Если исследуемый процесс представлен дискретными значениями,
размещенными через интервал дискретизации Lt, то интегральная функ-
ция и плотность распределения примут вид
Я
F(x, N, Lt) = lim ----
дг-н» N
И
и_ .
p(x,N,Lt, Lx)=\\m -2-
>co /V л
Дх-*О
Здесь и - количество дискретных значений, уровень которых меньше
х для функции распределения; N = T/Lt — количество дискретных зна-
чений в исследуемой реализации — объем выборки.
Измерение функции распределения F(x), плотности распределения
вероятностей р(х) осуществляется с помощью статистической ИС, струк-
турная схема которой дана на рис. 20.12.
Статистическая ИС состоит из ИК, устройства цифровой обработки
результатов измерения ЦОРИ и устройства выбора информации ВИ.
На вход ИК поступает исследуемая величина x(t), которая сравнивается
со значением х:
х — i Lx, i = 1, 2,..., tn ,
Рис. 20.12. Структурная схема статистической ИС:
ЦОРИ — цифровая обработка результатов измерения;
ВИ - вывод информации
290
где Дх — шаг квантования по уровню; i —номер измерения,
т= (х — х • )/Дх .
' max min''
На выходе результат проверки неравенства x(t) < х формируется
в виде последовательности интервалов времени Дт;., i =0,1,2 ...
Цифровая обработка результатов измерения Д7\ в соответствии с
заданным временем Т реализации исследуемой величины производится
по алгоритму:
т т
F^x) = S Дт./Г,- Pf(x)= S Дт//ТДх)
и полученные при этом значения F.(x) и Pj(x),j = 1, 2,..., и, запоминаются.
После проведения п измерений в ЦОРИ производится интерполяция полу-
ченных результатов F.(x), С(х), / = 1, 2, п, по заданному алгоритму
(ступенчатая, линейная, параболическая интерполяция) и формируются
зависимости F(x) и р (х). С помощью блока ВИ производится отображение
зависимости F(x) и р(х) в графической форме.
Если исследуемая величина представлена в виде аналогового сигнала
x(t), то измерительный канал выполняется по структурной схеме, пред-
ставленной на рис. 20.13. Здесь измерительный канал состоит из вычитаю-
щих схем ВС1, ВС2, меры М, широтно-импульсных преобразователей
ШИШ, ШИП2 и логической схемы ЛС. Перед измерением задаются зна-
чения / и Дх, по которым М формирует на выходе напряжения х и х +
+ Дх. Проверка выполнения неравенства x(t) < х производится схемой
ВС1 и результаты проверки с помощью ШИШ преобразуются в длитель-
ности импульса Д т7.', которые используются в дальнейшем для вычисления
значения функции распределения вероятностей F-(x). С помощью второго
канала, состоящего из ВС2 и ШИП2, сигнал преобразуется в длительность
импульса Дт. по результату проверки неравенства х (t) <х + Дх. Схемой
ЛС определяется разность длительности импульсов:
Дт*= ДТ/. _ Дт77,
и полученные значения Дт?используются-для вычисления значения плот-
ности вероятности р-(х).
При таком построении измерительного канала цифровая обработ-
ка результатов измерений выполняется с использованием аналоговых
операционных элементов, имеющих ограниченные возможности, и требует
многократного повторения исследуемой величины х (t).
Рис. 20.13. Структурная
схема статистической ИС
с микроЭВМ:
ВС - вычитающая схема;
ШИП - широтно-импульс-
ный преобразователь; М -
мера; ЛС - логическая
схема
291
При использовании для обработки результатов измерений микропро-
цессорных систем или микроЭВМ измерительный канал должен предста-
вить результат измерения в виде кодовых сигналов. В этом случае изме-
рительный канал выполняется в виде ЦАП.
Корреляционные измерительные системы. Измерительные системы,
предназначенные для оценки корреляционной функции случайных про-
цессов, называют . корреляционными измерительными системами. Кор-
реляционная функция для эргодических стационарных случайных про-
цессов определяется подформуле
R (т) = lira -±- f x(t)x(t + r)d t,
x T 0
где T — время реализации случайного процесса; x(t) = x(t) - mx(t) —
изменяющаяся часть непрерывной функции x(t); т — аргумент корреля-
ционной функции стационарного случайного процесса.
Взаимная корреляционная функция для двух эргодических стацио-
нарных случайных величин оценивается по формуле
RXy (Т} = <!+r>dt-
Экспериментальное определение корреляционной функции связано
с измерениями значений корреляционной функции при различных фик-
сированных г. При 7=0 коэффициент корреляции R (0) = Dx — диспер-
сии x(t), при 7 = °° коэффициент корреляции равен нулю. В результате
измерений получают оценку математического ожидания и коэффициентов
корреляции.
При аналоговом измерении оценки математического ожидания и кор-
реляционного коэффициента расчеты производятся по формулам:
тх({) =s'
т
Rx (т) = -V / x(t)x(t + t:
х т от
Rxv (Т) = + T)d
ху г о
R * (7)
р* = “о*— ~ нормированная корреляционная функция.
При цифровом измерении оценки математического ожидания, ко-
эффициенты корреляции и нормированной корреляционной функции
получают из выражений:
1 N
m* = — Z х.;
R*(m) = — Z x.x.. ;
x ' R 1 >+m
p*(m)= R* ;
. N_____
R* = — Z x.y.. ,
xy N i i+m ’
292
где TV — количество отсчетов с шагом квантования по времени А/, /V =
= Т/Ы; т = 0, 1,2, К, где К — количество дискретов корреляционной
функции с шагом Д т, т = m А т. При построении корреляционных измери-
тельных систем используются в основном два подхода. Первый подход
связан с измерением коэффициентов корреляции и с последующим вос-
становлением всей корреляционной функции. Второй — с измерением
коэффициентов многочленов, аппроксимирующих корреляционную функ-
цию.
По каждому из этих методов система может действовать последо-
вательно или параллельно, работать с аналогами или кодоимпульсными
сигналами. Алгоритм реализации корреляционных ИС осуществляется
следующими методами: умножения, знаковым (полярный) с примене-
нием интеграла Стильтеса, по фигуре Лиссажу, компенсации, по ортого-
нальной функции Лаггера. Эти алгоритмы подробно изложены в [2.10] .
Спектральные измерительные системы. Спектральные ИС предназна-
чены для количественной оценки спектральных характеристик измеряе-
мых величин.
Известно, что абсолютно интегрируемые функции, удовлетворяющие
условию / \x(t)\dt < могут быть представлены в виде интеграла Фурье:
x(t) =“J- j W(j со) 1d то ,
27Г +оо
где функция W(jw) — спектральная плотность амплитуды; она имеет
случайный характер, так как соотношения между амплитудами и фазами
колебаний различных частот случайных процессов неопределенны. Поэто-
му при спектральном анализе случайных процессов определяется спектраль-
ная плотность мощности
b (] то) = lim ~М [И'2 (] то)] .
х т-*°° '
Существующие методы спектрального анализа основаны на использо-
вании частотных фильтров либо на использовании ортогональных преоб-
разований случайного процесса и преобразований Фурье над известной
корреляционной функцией.
Анализ спектральной мощности сигналов можно осуществить парал-
лельным и последовательным способами. Структурная схема многока-
Рис. 20.14. Структурная
схема коррелометра, реа-
лизующего интеграл Стиль-
теса:
У - усилитель; OJ. -
полосовой фильтр; xj -
квадратор; Ин. - интег-
ратор; К - коммутатор;
И — индикатор
293
наивного фильтрового спектрального анализатора представлена на рис.
20.14.
Система состоит из п измерительных каналов, каждый из которых
включает в себя полосовой фильтр с частотной характеристикой А (/Шф),
квадратор х?, интегратор и индикатор И.
Выходной сигнал измерительного канала (после интегрирования)
Ьх О'шф) = Dx 0 ° °"ф)С/Ы
При этом на выходе измерительных каналов спектральная плотность
мощности получается в виде множества: \(/^i)> ••• >
X 0^фп). Выдача зависимости ^х0^ф) производится коммутацией
выходных сигналов измерительных каналов с помощью аналогового ком-
мутатора К.
При параллельной системе время То анализа определяется временем
установления колебаний в фильтрах сш с заданной степенью приближения
амплитуды колебания фильтра к своему максимальному значению А тах =1:
T0 = A/bf,
где Д/— полоса пропускания частотного фильтра со.
Последовательные спектральные ИС выполняются на гетеродинных
анализаторах с перестраиваемой частотой.
При построении современных спектральных измерительных систем
используются магистрально-модульные принципы с применением микро-
процессорной техники. Благодаря этим особенностям достигается полная
автоматизация оценки спектральной характеристики измерительных сиг-
налов.
§ 20.2. Системы автоматического контроля
При контроле устанавливается степень соответствия между состоянием
объекта контроля и заданной нормой.
Контроль, при котором описания норм заданы в количественном виде
с помощью аналоговых и цифровых установок и широко применяется
в промышленности для оценки состояния процесса производства, называ-
ется техническим контролем.
Системы автоматического контроля (САК), обеспечивающие контроль
большого числа величин и обработку информации, широко используются
в АСУТП.
Для получения в результате контроля информации о соотношении
между текущим состоянием объекта и установленным нормальным его
состоянием САК должна выполнять следующие функции:
восприятие входных величин и преобразование соответствующих
сигналов;
формирование и реализацию норм в аналоговых и цифровых видах,
сравнение входных величин с описанием норм;
формирование и выдачу количественных суждений о состоянии объек-
та контроля;
294
Рис. 20-15. Способы описания норм в САК:
а - по абсолютным значениям; б - по номинальным значениям
автоматическое управление работой системы;
аналого-цифровое преобраование;
выдачу аналоговой или цифровой информации;
обработку информации;
формирование активных воздействий, необходимых для получения
контрольной информации;
самоконтроль системы.
Некоторые функции САК могут выполняться как аппаратными, так
и программными средствами.
При выполнении операции сравнения контролируемой величины с
одной уставкой имеется возможность осуществить разделение состояния
контролируемой величины на две области (х < с, х > с), одну из которых
можно считать областью нормального состояния. Для технологических
процессов помимо областей нормальных режимов могут быть выделены
области предаварийных и аварийных состояний.
Нормы и контрольно-измерительная информация в САК могут быть
описаны по абсолютным значениям (рис; 20.15, а) либо по отклонению
от номинального значения (рис. 20.15, б). Укажем, что в САК находят
применение оба способа описания норм и выдачи контрольно-измеритель-
ной информации.
САК подразделяют на специализированные и универсальные. Специа-
Рис. 20.16. Структура САК:
ОК — объект контроля;
Д - датчики; УС О —
устройство сопряжения с
объектом; ПУО — пульт
управления с оператором;
СОИ - система отображе-
ни» информации
295
лизированные САК предназначены для выполнения узконаправленных
операций контроля.
Универсальные САК для объектов контроля ОК выполняются в виде
совокупности средств вычислительной и измерительной техники (рис.
20.16). Такие САК содержат в своем составе: ЭВМ, датчики Д входной
информации, устройство сопряжения с объектом УСО, пульт управления
оператора ПУО, систему отображения информации СОИ.
Ядром САК, реализующей процесс переработки информации и форми-
рования воздействия на ОК, является ЭВМ. В качестве ЭВМ в САК исполь-
зуются мини- или микроЭВМ. Соединение функциональных блоков в САК
осуществляется с помощью стандартных цифровых интерфейсов.
Датчики входной информации преобразуют контролируемые парамет-
ры ОК в электрические сигналы. УСО осуществляет операции сбора ин-
формации от объекта, включая коммутацию аналоговых и дискретных
сигналов, АЦП и операции выдачи сигналов, управляющих воздействием
на ОК. СОИ предназначены для выдачи информации о состоянии объекта
контроля.
Современные САК обеспечивают контроль от 40 до 500 величин;
допусковый контроль по одной — четырем уставкам каждой величины;
сигнализацию предельных норм и регистрацию величин, отклонившихся
от установленных норм; измерение контролируемых величин по вызову
оператора.
Современные автоматизированные САК создаются на базе агрегатных
модулей УСО, предназначенных для использования при автоматизации
технологических процессов. В целях уменьшения потоков информации,
повышения надежности работы систем создаются распределенные САК.
В них каждый объект контроля обслуживается своей подсистемой, содер-
жащей измерительные цепи с датчиками, АЦП, устройства из микропро-
цессорных наборов и устройства сопряжения с вычислительными центрами.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы основные элементы измерительной системы?
2. Поясните принцип действия многоточечной ИС.
3. Расскажите о принципе действия мультиплицированной ИС.
4. Поясните принцип действия сканирующей ИС
5. Расскажите о принципе действия статистических ИС.
6. Объясните принцип действия корреляционных ИС.
7. Запишите алгоритм функционирования спектральных ИС.
8. Каковы назначение, структура и принцип действия системы автоматического
контроля?
ГЛАВА 21. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ (СТД)
§ 21.1. Функции и особенности СТД
Задачей систем технической диагностики (СТД) является установ-
ление места и причины неисправностей объектов диагностирования (ОД).
Установление факта и места неисправности в ОД путем определения
состояния всех его элементов и связей обычно нецелесообразно или прак-
тически невозможно, поскольку для такого ’’стопроцентного” контроля
требуются большие затраты времени и оборудования. Особенно это отно-
сится к сложным ОД (машины, комплексы, системы), характеризующим-
ся большим количеством элементов и сложными связями между ними.
Поэтому основной путь выявления неисправных элементов ОД связан
с рациональной и эффективной методикой проведения операций конт-
роля, позволяющей решить задачу диагностики с допустимыми затрата-
ми. Изучение форм и закономерностей проявления неисправностей и оши-
бок, разработка методов и средств их обнаружения и локализации в ОД —
таковы основные цели технической диагностики [2.17,2.18] .
В процессе диагноза технического состояния ОД необходимо решить
в первую очередь задачи изучения физических свойств объекта и неисправ-
ностей последних, а также задачи построения математических моделей
неисправностей. Затем следуют задачи анализа диагностических моделей
(ДМ) с целью получения данных, необходимых для построения алгоритма
диагностирования и принципов реализации технических средств диагнос-
тирования.
Дерево классификации [2.17] основных предметов исследования
технической диагностики приведено на рис. 21.1.
В результате анализа ДМ определяют перечень оцениваемых диаг-
ностических показателей, методы их оценки, условия работоспособности,
признаки наличия дефектов, алгоритмы и программу диагностирования.
Рис. 21.1. Дерево классификации исследований при ТД (ОД - объект
диагностирования)
297
Рис. 21.2. Классификация моделей ОД (ДМ - диагностические модели)
Совокупность этих данных называют диагностическим обеспечением (ДО).
Все диагностические модели ДО [2.17] можно подразделить на не-
прерывные, дискретные и специальные (рис. 21.2).
Непрерывные модели используются при разработке диагностического
обеспечения для отдельных устройств и приборов. Эти модели в основном
описываются алгебраическими линейными и нелинейными уравнениями,
дискретные ДМ представляются конечно-разностными уравнениями или
конечными автоматами и предназначены для ДО импульсных и цифровых
устройств.
Специальные модели подразделяют на информационные, модели харак-
теристик объекта и функциональные информационные потоки, цирку-
лирующие в объекте, рассматриваемые как преобразователь информации,
или представляющие собой информационную оценку изменений, происхо-
дящих в состоянии ОД. Универсальность этого типа моделей объясня-
ется независимостью от принципа построения и действия объекта. Эта
модель характеризует лишь потоки информации о состоянии объекта,
циркулирующие в нем.
В общем случае модели могут представлять как статистические, так
и динамические характеристики объекта в целом либо его отдельных
частей.
Операции, выполняемые ОД в рабочем режиме, могут быть отобра-
жены функциональными моделями и представляют собой последователь-
ность связей между отдельными конструктивными блоками либо алгорит-
мы функционирования объектов или его частей (в соответствии с возло-
женными на объект функциями).
298
Рис. 21.3. Классификация методов исследования ДМ
Методы исследования ДМ подразделяют на аналитические, графичес-
кие и графо-аналитические (рис. 21.3).
Аналитические методы обеспечивают возможность реализации спо-
собов оптимизации и получения соотношений, описывающих состояние
объекта при его изменении. К таким способам можно отнести известные
методы малого параметра, теории чувствительности, математической логи-
ки, планирования эксперимента и распознавания образов. Аналитические
методы достаточно универсальны и эффективны при анализе любого объ-
екта ДМ, однако решение становится слишком громоздким при возраста-
нии сложности моделей.
Графические методы очень наглядны, поэтому они позволяют иллю-
стрировать аналитические методы. Графические методы весьма полезны
при исследовании моделей характеристик объекта или процессов, проте-
кающих в реальном времени. Особое место среди графических методов
занимают методы, основанные на теории графов (ориентированных и нео-
риентированных) . При этом матричное представление структурных свойств
графов более удобно.
Различные комбинации графических и аналитических методов состав-
ляют графо-аналитические методы. При выполнении анализа непрерыв-
ных моделей, описываемых линейными алгебраическими и дифференци-
альными уравнениями, а также при применении методов теории графов
широко используется аппарат теории матриц. Это позволяет представить
решения и исследования систем уравнений в удобной и лаконичной фор-
ме, а также построить вычислительные алгоритмы для реализации данных
процессов на ЭВМ.
Аппарат математической логики (дву- и многозначной), главной зада-
чей которой является структурное моделирование объектов, использу-
ется довольно часто. Он позволяет осуществлять также анализ специальных
ДМ, характеризуемых конечным числом состояний.
§ 21.2. Классификация методов диагностирования
Оценку состояния ОД осуществляют различными методами и клас-
сификация последних позволяет выбрать наиболее эффективный подход
к их выбору. В результате такой классификации с учетом характера взаи-
модействия объекта и технических средств диагностирования можно выде-
лить два метода — функциональное и тестовое диагностирование.
При методе функционального диагностирования объекта осуществля-
ется наблюдение за функционированием ОД при воздействии на послед-
ний лишь рабочих воздействий и оценки его состояния по диагностичес-
ким признакам.
При методе тестового диагностирования на ОД осуществляют специаль-
ное воздействие, при этом ответная реакция объекта сравнивается с различ-
ными известными реакциями его состояния.
Таким образом, сравнивая эти методы, можно отметить, что метод
функционального диагностирования аналогичен режиму пассивного экс-
перимента, а тестовое диагностирование — режиму активного эксперимента.
Для решения задач оценки работоспособности, поиска дефектов, прог-
нозирования возможных изменений состояния ОД используются оба мето-
да диагностирования.
Другой признак классификации — степень связи объекта и технических
средств диагностики. По этому признаку различают методы, основанные
на оценке выходных ОД или промежуточных показателей ОД. Методы
оценки выхода объекта используются в основном при тестовом диагнос-
тировании и обеспечивают возможность установления работоспособности
ОД, а также обнаружения возникших в нем дефектов. Использование ме-
тода оценки промежуточных показателей объекта предполагает необходи-
мость введения в ОД специальных контрольных точек.
Остановимся на одном из способов оценки состояния ОД по методу
оценки совокупности диагностических показателей (использование обоб-
щенных показателей). Допустим, имеем вектор показателей х = (х2, х2,
х) и оценки вероятности попадания его в область работоспособности
ОД. Такая задача имеет два решения: показатели его пространства могут
попасть либо в пространство Ул, либо в V2, соответствующие работоспособ-
ному и неработоспособному объектам.
Допустим, известна и-мерная плотность распределения вероятности
р(Х), тогда вероятность попадания случайного вектора X в область работо-
способности V\
PVt=ff ...Jp(X)dx. (21.1)
1 К,
Интеграл (21.1) может быть вычислен методом Монте-Карло с исполь-
зованием ЭВМ.
При использовании вектора X для оценки нижнего (н) и верхнего
(в) состояний работоспособности ОД область V\ находим из неравенства
х“ < X(xlt х2,..., хп) < Хъ.
300
При оценке работоспособности ОД по отдельным показателям xp =
= 1...п) область Vr находим из системы неравенств:
х? < xt < х® ;
х® < х2 < х;
у*1 X Л?
п п п '
Принято считать, что pv ~>pv .
Известно, что по характеристикам можно судить о состоянии объекта,
поэтому используются также методы оценки характеристик в целом или
в отдельных точках. Здесь появляется еще один признак классификации
состояния ОД — методы оценки по динамическим и статическим характе-
ристикам. При этом оценка ОД по динамическим характеристикам может
быть реализована по временным и частотным характеристикам.
Существует ряд других методов оценки, на которых мы не будем ос-
новываться, а сошлемся на литературу [2.17] , где эти вопросы достаточ-
но подробно изложены.
§ 21.3. Структуры и алгоритмы функционирования СТД
При функциональном алгоритме работы СТД осуществляется срав-
нение реакции объекта и эквивалентной модели (ЭМ) на одно и то же из-
вестное воздействие. Структура такой системы может быть представлена
на рис. 21.4.
Как видно из схемы, входное воздействие х поступает одновременно
на ОД и ЭМ и выходные реакции объекта уо и модели сравниваются.
Сигнал z на выходе сравнивающего устройства характеризует состояние
объекта. При z = 0 свойства ОД и ЭМ будут идентичны, т. е. объект рабо-
тоспособен. Этот метод может быть также использован и при тестовом
диагностировании.
Качество показателя при оценке состояния ОД в данном случае оцени-
вается по критерию вида
к О
где l(t) = yjt) - yjt); yjt) и yjt) -
реакции соответственно объекта и модели.
При тестовом алгоритме диагностиро-
вания используемые методы различаются
по характеру формирования тестового воз-
действия и способу обработки результа-
тов реакции объекта.
Рассмотрим один из методов, основан-
ный на принципе неподвижной точки.
Для ОД, как известно, справедлива зави-
симость
Рис. 21.4. Структура СТД с
эквивалентной моделью:
ОД - объект диагностики, ЭМ -
эквивалентная модель
301
гГА№..U>
где — i-e значение реакции объекта на произвольное входное воздей-
ствие; S- — значение его /-го показателя.
Следовательно, состояние ОД можно оценить, определив по реакциям
zi прямые показатели 5у и сравнив их с номинальными значениями.
Указанный принцип неподвижной точки предназначен для определения
величин L. Реакция объекта на входное воздействие описывается выраже-
нием y(t) =A(t, 5i> —, %п)', зафиксировав y(t) в различные моменты
времени, можно получить значение z. =у(^) и затем систему из п нелиней-
ных уравнений:
V г = . (21-2)
Умножив каждое из этих п нелинейных уравнений на произвольное
вещественное число X^/z = 1,2, ..., п) и прибавив к ним соответствующее
значение искомого показателя 5г-, получим систему, эквивалентную (21.2):
= М,’(h’ > Ь. V + % - . (21.3)
В результате решения системы (21.3) будут найдены координаты не-
подвижной точки х*(5Т, 5г, —, £*) в пространстве X, если операция р
преобразования этой системы представляет собой операцию сжатия.
Условие это осуществимо, когда соблюдаются следующие соотношения:
----< X. < О при а > 0;
а + Ъ ' г ’
0 < X. < —-— при а < 0,
1 Ь — а
гр,ер(х0,р(хо))< (1 -а)г; х0 — произвольный элемент в пространствеX;
а = — , а = max(IX.IZ> + 1Х.д + 11);
о?- 1 ‘
дА,-
Координаты неподвижной точки х* определяются как предел после-
довательности I х I, где хп + 1 ~р(х ), п = 0,1,..., а.
Алгоритм диагностирования объекта по временным характеристикам
имеет особую специфику. Использование этого алгоритма для определе-
ния работоспособности ОД или поиска дефекта может быть осуществлено
различными способами в зависимости от заданного отклонения рабочей
и эталонной характеристик. Например, такую оценку характеристики
можно выполнить по числу точек (в пределе — максимальному) либо
по некоторым показателям ее формы. В последнем случае оценки могут
быть приведены, например, по числу и виду этих показателей.
Допустим, объект представляется временными характеристиками
на основе уравнения типа
y(t) = F(x0(t),x),
где x0(t) — ступенчатое управляющее и возмущающее воздействие; х —
302
j=i, r=\,n0.
точка, принадлежащая л-мерному прост-
ранству показателей x.(i = l,nj.
Тогда алгоритм диагностирования мож-
но реализовать путем сравнения дейст-
вительного оператора F с требуемым F .
Множество N возможных состояний, со-
ответствующее различным значениям по-
казателей х{, в этом случае разбивается
на W + 1 подмножеств г, где W — число воз-
можных дефектов В ОД. Рис. 21.5. Зависимость у ft)
Совокупность 5 реализаций временной
характеристики y(t), соответствующих точ-
кам х €Е N, и будет равна величине W + 1.
Осуществляется сравнение характеристик, в
результате чего устанавливается состояние ОД. Пример такого сравнения
временной характеристики у (t) приведен на рис. 21.5. Здесь характерис-
тика подвергается дискретизации по времени и уровню, а каждый прямо-
угольник (Ду, Дг) рассматривается как некий информационный признак
р изображения у (t). Шаг квантования по времени
Дг = 50/2 S S(jw) du, (21.4)
О
где 5(/со) — частотный спектр характеристики.
Справедливость для устойчивых по Ляпунову объектов выражения
(21.4) обеспечивается при выполнении условия
S\y(t)\dt
где Виа — положительные вещественные числа.
Значение шага квантования Ду определяется из требований к динами-
ческой точки ОД. Как правило, для большого числа следящих систем
оно принимает значение
Ду = (0,05 -г 0,03) у (°°) ,
где у (°°) — установившееся значение выходного сигнала ОД.
Рис. 21.6. Структурная схе-
ма реализации алгоритма
диагностики по временной
характеристике:
ОД - объект диагности-
ки; ГСС — генератор сти-
мулирующих сигналов;
С - синхронизатор;
БВБ - блок выделения
большого напряжения;
БВМ - блок выделения
меньшего напряжения
303
На рис. 21.6 показана реализация этого метода. От генератора стиму-
лирующих сигналов ГСС на ОД поступает сигнал x0(t) и старт-импульс
на синхронизатор С. Последний представляет собой временной распреде-
литель и в моменты времени 0, Дг, 2ДГ обеспечивает подключение вы-
ходов блоков выделения большего БВБ и меньшего БВМ напряжений.
В каждый временной интервал О — AZ, AZ — 2AZ определяются максималь-
ные и минимальные напряжения, т. е. осуществляется дискретная оценка
временных характеристик объекта диагностики. Далее осуществляется
разделение множества реализаций у (t) на подмножества таким образом,
чтобы каждое из них содержало в основном реализацию того образа, кото-
рому они объективно принадлежат. Затем на модели происходит фор-
мирование текущих значений характеристики ОД с учетом допусков на-
пряжений сигналов.
§ 21.4. Пример практической реализации СТД
Рассмотрим алгоритмы функционирования структуры СТД на при-
мере диагностики состояния штанговых глубинно-насосных установок
(ШГНУ).
Кинематическая схема работы глубинного насоса приведена на рис. 21.7.
В начале работы открывается клапан 7 и жидкость из пласта устрем-
ляется в полость цилиндра. При этом клапан 4 остается закрытым и столб
жидкости над ним движется вверх на высоту длины хода плунжера 5.
При движении точки подвеса штанг (ТПП1) вниз сначала происходит сжа-
тие штанг и вес столба жидкости передается на трубы 1. Потом откры-
вается клапан 4 и жидкость из нижней полости цилиндра поднимается
в пространство под поршнем. Клапан 7 остается закрытым, предотвращая
переток жидкости из цилиндра насоса обратно в пласт.
Рис. 21.7. Кинематическая схема ра-
боты глубинного насоса;
/ - скважина; 2 — колонна труб;
3 - колонна штанг; 4 — нагнета-
тельный клапан (НК); 5 - плун-
жер; 6 — жидкость под поршнем;
7 - приемный клапан (ПК); 8 —
пластовая жидкость
304
Рис. 21.8. Простейшая теоретическая
динамограмма:
So - длина хода ТПШ- 5пл - длина
хода плунжера (м); А - деформа-
ция штанг и труб (м); Р - вес
столба жидкости над плунжером
(кг); Р - вес штанг в жидкос-
ти (кг)
Исследования показали, что наиболее полную диагностическую ин-
формацию о состоянии ШГНУ дает динамометрирование (процесс полу-
чения зависимости р = f(s), где р — усилие на полированном штоке от
перемещения s в ТГПИ.
Простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы уста-
новки приведена на рис. 21.8. Она представляет собой параллелограмм
ABCD, у которого АВ и CD — участки восприятия и снятия нагрузки;
ВС и DA — участки неизменной нагрузки при ходе плунжера вверх и вниз;
АВС и CDA — участка хода ТПШ вверх и вниз.
У практических динамограмм участки ВС и DA искажены колебани-
ями усилий из-за динамики работы глубинно-насосного оборудования.
При этом форма динамограмм однозначно соответствует определенно-
му состоянию ШГНУ.
На рис. 21.9 приведены практические динамограммы для восьми ос-
новных классов состояния ШГНУ. Динамограмма является диагности-
ческой моделью ШГНУ. Изучение форм динамограмм позволяет выявить
характерные признаки различных неисправностей и на их основе построить
алгоритм диагностирования ШГНУ. Так, утечка в нагнетательном клапане
УНК характеризуется уменьшением крутизны линии восприятия нагрузки
(ЛВН) с увеличением крутизны линии снятия нагрузки ЛСН. При утечке
в приемном клапане (УПК) наблюдается обратная картина. При незапол-
нении насоса НН на ЛСН имеется участок sr неизменной нагрузки, обус-
ловленный влиянием газа, попадающего вместе с жидкостью в цилиндр
насоса. Высокая посадка плунжера ВПП характеризуется наличием харак-
терного ’’хвоста” в правом верхнем углу динамограммы. При низкой
посадке плунжера НПП ’’хвост” появляется в левом нижнем углу.
При наличии прихвата плунжера (ПП) форма динамограммы вытяги-
вается вдоль линии, параллельной ЛВН теоретической динамограммы,
а при обрыве штанг ОШ — параллельно линии веса штанг в жидкости.
Выявленные особенности динамограмм позволили разработать ал-
горитм диагностирования ШГНУ по периодам экстремальных нагрузок,
блок-схема которого приведена на рис. 21.10.
Перед функционированием алгоритма вводится массив р = f(sj) дис-
кретных отсчетов замкнутого графика динамограммы с шагом As = 1 мм
дискретизации по оси абсцисс, а переменным I и J присваиваются нулевые
значения. Затем определяются координаты экстремальных точек: a(sj;
Pi) - максимум функции p(s) и (3fs2; р2) — минимум функции p(s). Оп-
ределяется разность ординат Др = рг - р2 экстремумов и проверяется
условие Др < Р1/4. Если оно выполняется, то принимают решение о нали-
чии обрыва штанг. В противном случае анализируется удаленность экстре-
мальных точек от концов динамограмм по оси абсцисс. Если Sj > s0,
то переменная I увеличивает свое значение на 1, если s2 > -g- s0, то то же
самое происходит с переменной J. Если имели место оба этих факта (/ +
+ 7 = 2), значит в насосе есть неисправность типа ’’прихват плунжера”.
Если выполнилось лишь первое условие - ВПП, если же только второе
условие — НПП. Далее устанавливается наличие неизменной нагрузки
305
Рис. 21.9. Практическая динамограмма ШГНУ:
а - нормальная работа; б - утечка в приемном клапане; в -
утечка в нагнетательном клапане; г — незаполнение насоса; д —
высокая посадка плунжера; е — низкая посадка плунжера; ж —
прихват штанг насоса; з - обрыв штанг насоса
на ЛСН. Для этого на ЛСН определяются приращения Др. ординат ди-
намограммы на каждом шаге дискретизации и подсчитывается длина
участка «г, на котором Др{ = 0. Если найденная длина sp больше четверти
участка s2 на ЛСН, то принимают решение о неисправности типа ’’незапол-
нение насоса”. В противном случае определяет значение классификаци-
306
Рис. 21.10. Схема алгоритма диагностики ШГНУ
онного признака х, равного отношению абсцисс максимальной и минималь-
ной точек динамограммы:
X = Sj/s2 .
В зависимости от значения признака х принимают следующие решения:
х 6 [0,2; 0,8] - УПК;
307
БП
Рис. 21.11. Структура СТД ШГНУ:
Bi, В2 ~ выпрямитель; См — смеситель, ПФ — полосовой фильтр;
ФНЧ — фильтр нижних частот; АК — аналоговый коммутатор; БП -
блок памяти; МБУО — микропроцессорный блок управления и об-
работки; РУ - регистрирующее устройство; КС - канал связи; ДУ -
датчик усилия; ДХ - датчик хода; БП - блок питания
х G [0,8; 1,2] -HP;
х е [1,2; 4] -УНК
или класс не установлен.
Структура практически реализованной микропроцессорной системы
технического диагностирования ШГНУ по описанному выше алгоритму
приведена на рис. 21.111
Сигналы с выходов датчиков усиления ДУ и хода ДХ (сигнал с выхода
ДХ выпрямляется в выпрямителе В1), установленных на балансире, по-
ступают через сместитель См по каналу связи КС на приемный пункт,
где они разделяются с помощью ПФ, ФНЧ. После В2 сигналы усилия p(t)
и хода s(t) соответственно от ДУ и ДХ под управлением МБУО поочередно
поступают через АК на вход АЦП, где происходит их измерение в отсчет-
ные моменты времени Z.. Измеренные значения pft^ и s(C) записываются
с выхода АЦП в блок памяти БП. Далее по программе, записанной в блоке
памяти, МБУО осуществляет обработку измеренных значений р(с) и s(tt)
для формирования графика р = F(s) замкнутой динамограммы. Затем
осуществляется анализ полученной динамограммы по приведенному выше
алгоритму и определяется один из восьми классов состояния ШГНУ. Гра-
фик динамограммы вместе с результатом ее интерпретации индицируется
на регистрирующем устройстве РУ.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы основные задачи и функции СТД?
2. Приведите виды диагностических моделей.
3. Какие существуют методы исследования диагностических моделей?
4. Укажите основные методы диагностирования.
5. Каковы основные алгоритмы функционирования СТД?
6. В чем особенность диагностирования глубинного штангового насоса?
Г Л А В A 22. РАСПОЗНАЮЩИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ (РИС)
§ 22.1. Функция и особенности РИС
Под техническим образом понимается совокупность определенных
признаков, характеризующих свойства материального объекта или явле-
ния.
Распознавание образов представляет собой задачу преобразования
входной информации, в качестве которой рассматривают набор признаков
распознаваемых образов, в выходную, т. е. это есть принятие по определен-
ному алгоритму решения о том, к какому объекту относится распознавае-
мый образ. Реализация задач распознавания осуществляется с помощью
распознающих измерительных систем (РИС).
Комплексная механизация и автоматизация производств и создание
роботов при решении задач технической и медицинской диагностики,
метеорологического прогноза и других предопределили потребность в
решении теоретических и прикладных вопросов проблемы РИС.
Распознавание образов является средством получения информации
о принадлежности неизвестных объектов или явлений к соответствующим
классам. На основании заключения РИС система управления, стоящая
над РИС, принимает управленческие решения. Место распознающих уст-
ройств и автоматических системах управления видно из схемы рис. 22.1,
В алфавите классов, создаваемых РИС, предусматривается такое число
классов, которое соответствует количеству возможных решений системы
управления. Такой алфавит классов обеспечивает возможность эффектив-
ного использования всего набора допустимых решений системы управления.
Эффективность действий системы управления также определяется
достоверностью решения задачи распознавания, зависящей от количества
апостериорной информации о распознаваемых объектах, т. е. от размера
словаря признаков.
Однако следует отметить, что увеличение количества признаков рас
познаваемых классов неизбежно связано с увеличением материальных,
габаритных, энергетических и других затрат на создание РИС.
Следует отметить, что при выбранном словаре признаков увеличение
числа распознаваемых классов
уменьшает вероятность пра-
вильного решения РИС.
Основные задачи, возника-
ющие при проектировании РИС,
следующие:
1. Установление полного
перечня признаков (парамет-
ров) , характеризующих распоз-
наваемые объекты или явле-
ния, для которых разрабаты-
вается данная система. В этот
Рис. 22.1. Структура системы управления с
РИС (ЛПР - лицо, принимающее решение)
309
набор признаков включают любые признаки, характеризующие объекты
или явления в малейшей мере. Признаки объектов могут быть подразде-
лены на детерминированные, вероятностные, логические и структурные.
Детерминированные признаки принимают конкретные числовые зна-
чения, которые могут быть рассмотрены в качестве координат точки в
признаковом пространстве, соответствующей данному объекту.
Вероятностные признаки имеют случайные значения, распределен-
ные по всем классам образов. Измерение числовых значений величин,
характеризующих признаки распознаваемых объектов, как правило, про-
изводится с ошибками. В силу этого по результатам измерений невозмож-
но с большой достоверностью сказать, какое значение имеет данный при-
знак, поэтому последний рассматривают как вероятностный.
Измерения числовых значений признаков всегда сопровождаются
наличием некоторой погрешности о измерительного устройства. В этом
случае можно говорить лишь о некотором доверительном интервале (диа-
пазоне) , в котором с заданной доверительной вероятностью попало изме-
ренное значение детерминированного признака.
Логические признаки распознаваемых объектов можно рассматри-
вать как элементарные высказывания, имеющие только два значения
истинности (”да” или ’’нет”). Эти признаки есть не что иное, как сужде-
ния качественного характера, типа наличия или отсутствия некоторых
свойств у распознаваемых объектов или явлений. К логическим также
относят признаки, характеризующие лишь факт попадания или непопада-
ния числовых значений признаков в заданный интервал. В пределах дове-
рительных интервалов появление различных значений признаков у распоз-
наваемых объектов предполагается равновероятным. Классы образов опи-
сываются каждый своим набором возможных сочетаний элементов (сим-
волов) , образующих язык класса [2.12].
2. Проводится первоначальная классификация распознаваемых объ-
ектов или явлений, т. е. составляется априорный алфавит классов. Число
возможных решений системы уравнений определяется размером априор-
ного алфавита классов. На этом этапе, пользуясь всеми выявленными
признаками распознаваемых объектов, стремятся максимально прибли-
зить размер априорного алфавита классов к числу возможных управляю-
щих воздействий. При решении последующих задач априорный алфавит
классов уточняется, в результате чего формируется рабочий алфавит клас-
сов РИС.
3. Осуществляется разработка априорного словаря признаков. На ос-
нове результатов решения первой задачи разрабатывается словарь, при
этом в априорный словарь признаков включаются только те, относитель-
но которых может быть получена априорная информация, необходимая
для описания классов на языке этих признаков.
4. На языке признаков, включенных в априорный словарь, описывают-
ся все классы априорного алфавита классов. При описании классов могут
быть использованы детерминированные, вероятностные, логические и
структурные признаки.
310
5. Осуществляется разбиение априорного пространства признаков
на области, соответствующие классам априорного алфавита классов. Раз-
биение должно быть выполнено некоторым оптимальным образом, для
минимизации числа неверных решений при распознавании неизвестных
образов.
6. Производится выбор алгоритмов распознавания, обеспечивающих
отнесение распознаваемого объекта или явления к тому или другому
классу или их некоторой совокупности. Алгоритмы распознавания основы-
ваются на выявлении степени близости распознаваемого объекта к каждо-
му классу. Если степень близости выбранной меры L данного объекта
со к классу SI. превышает меру его близости к другим классам, то при-
нимают решение о принадлежности этого объекта к классу т. е. со G
G Q.J, если L (со, Пр = ех^гДсо, Jip.
7. Определение рабочего алфавита классов и рабочего словаря при-
знаков РИС. Суть его состоит в разработке алфавита классов и словаря
признаков, обеспечивающих в условиях ограничений на построение системы
распознавания максимальное значение показателя эффективности системы
управления.
8. Создание специальных критериев оптимизированных алгоритмов уп-
равления работой РИС. В качестве подобных критериев могут использо-
ваться, например, вероятность правильного решения, экономически свя-
занный с реализацией процесса распознавания и др.
Особую актуальность приобретают вопросы создания диалоговых
РИС, в которых предполагается активный обмен информацией между
лицом, принимающим решения (ЛПР), и РИС. Корректировка заложенных
в РИС априорных данных позволяет ЛПР вести непрерывный процесс
’’обучения” РИС, повышая достоверность принимаемых им решений.
§ 22.2. Структуры и алгоритмы функционирования РИС
Классификация систем распознавания [2.12] осуществляется деле-
нием их на простые и сложные в зависимости от того, физически однород-
ная или неоднородная информация используется для описания распознавае-
мых объектов. Например, автоматы для размена монет, в которых в ка-
честве признака берется масса монет; автоматические устройства, пред-
назначенные для отбраковки деталей, в которых в качестве признаков
используются либо некоторые линейные размеры детателей, либо масса
и др., относятся к простым РИС. Системы медицинской диагностики, .
в которых в качестве признаков могут использоваться данные анализа
крови и кардиограмма, температура и динамика кровяного давления и
др., относят к сложным РИС.
По способу получения апостериорной информации сложные РИС под-
разделяют на одно- и многоуровневые.
Структура одноуровневой РИС представлена на рис. 22.2. Информа-
цию в ИСг — ИСп получают путем прямых измерений. Здесь по данным
ИС\....ИСп на основе обработки полученных реализаций непосредствен-
311
Рис. 22.2. Структура одноуровневой РИС:
ИС - измерительное средство; х - приз-
наки; АИ — априорная информация; БАР —
блок алгоритмов распознавания; БУРС —
блок управления работой системы
Рис. 22.3. Структурная схема РИС
с самообучением:
ОС — объекты для самообучения;
ФК - формирователь классов;
ПК — правила классификации;
CJ - образ; БАР - блок алго-
ритмов распознавания; ИС — из-
мерительная система; АИ — ап-
риорная информация
но находят признаки х}, ..., х*, .... х*,х?,.... xlN,х^, которые исполь-
зуются для распознавания неизвестных объектов.
При выборе в качестве принципа классификации количества априор-
ной информации о распознаваемых объектах РИС подразделяют на системы
без обучения, обучающиеся и самообучающиеся.
В системах без обучения первоначальной априорной информации дос-
таточно для определения алфавита классов, построения словаря признаков
и установления разделяющих классы границ и решающих правил.
Первоначальной информации обучаемых РИС достаточно для опреде-
ления априорного алфавита классов и словаря признаков, но не достаточ-
но для описания классов на языке этих признаков.
На стадии формирования такая РИС работает с ’’учителем”. Эта работа
заключается в том, что ’’учитель” предъявляет РИС образы всех выделен-
ных классов с указанием номера класса. Затем ’’учитель” начинает ’’экза-
меновать” РИС, корректируя ее ответы до тех пор, пока количество оши-
бок не достигнет требуемого уровня.
В самообучающихся РИС первоначальной априорной информации дос-
таточно лишь для определения словаря признаков хг..х^, но не доста-
точно для проведения классификации объектов. Структурная схема РИС
с самообучением приведена на рис. 22.3.
При формировании такой системы последней предъявляют исходную
совокупность образов g>i, ..., cjp заданных значениями своих признаков,
например, для — (х},..., х^), для — (х/,..., х^.).
Ограниченный же объем первоначальной информации не позволяет
системе установить, к какому классу принадлежат образы исходной сово-
312
купности. Эта информация заменяется набором правил, в соответствии
с которыми РИС на станции самообучения вырабатывает собственную
классифик ацию.
В зависимости от характера информации о признаках распознавае-
мых объектов алгоритмы функционирования РИС подразделяют на детер-
минированные, вероятностные, логические, структурные и комбиниро-
ванные.
В детерминированных РИС алгоритм распознавания использует ’’гео-
метрические” меры близости, т. е. измерение расстояний между распоз-
наваемым образом и эталонами классов.
В вероятностных РИС применение алгоритмов распознавания предус-
матривает наличие вероятностных зависимостей между признаками об-
разов и классами, к которым они относятся [2.12] .
В логических РИС алгоритмы распознавания предусматривают наличие
логических связей, описываемых через систему булевых уравнений, где
переменные — логические признаки распознаваемых образов, а неизвест-
ные величины — классы, к которым они относятся.
В структурных РИС используются специальные грамматики, порож-
дающие языки, состоящие из предложений, каждое из которых описывает
объекты, принадлежащие конкретному классу. На основе этой грамматики
строятся алгоритмы распознавания.
В комбинированных РИС для построения используется специально
разработанный метод вычисления оценок, на основе которого строятся
алгоритмы распознавания. Такие алгоритмы распознавания получили
наименование алгоритмов вычисления оценок (АВО). Для реализации
этих алгоритмов требуются специальные таблицы, содержащие объекты,
принадлежащие к соответствующим классам, а также значения признаков,
характеризующие эти объекты. При этом признаки могут быть детерми-
нированными, вероятностными, логическими и структурными [2.12] .
Рассмотрим основные алгоритмы распознавания, реализуемые РИС.
Детерминированные алгоритмы. Эти алгоритмы основаны на вычис-
лении расстояний между неизвестным образом и эталонами классов. Пусть
определен алфавит из М классов образов и словарь из N признаков: хь
х2, ..., xN. Тогда каждый образ со можно рассматривать как вектор
в ^‘меРном признаковом пространстве. Пусть
распознаваемые классы Slj, ..., S1M допускают представление с помощью
эталонных образов zi, z2, .... zM, которые также рассматриваются как
векторы 7. {z. , z. , .... z. } или как точки в TV-мерном признаковом про-
странстве. Классификатор, построенный по принципу минимума расстоя-
ния, вычисляет расстояние, отделяющее распознаваемый образ от
эталона каждого класса, и зачисляет этот образ в класс, оказавшийся
ближайшим к нему:
со 6 £2., если s(x ,zj = min sfx.zJ.
г w 1 j^M w 1
В качестве примеров расстояний и мер близости образов в признако-
вом пространстве можно привести следующие. , ,
Рис. 22.4. Пример иллюстра-
ции алгоритма распознавания
по критерию минимума ев-
клидова расстояния
Обычно евклидово расстояние устанав-
ливается из соотношения
(х -z.J2. (22.1)
Л — 1 К К
Эта мера близости может быть использо-
вана, когда признаки взаимонезависимы, име-
ют одинаковую дисперсию, однородны по
своему физическому смыслу и одинаково
важны. Геометрическая иллюстрация алго-
ритма распознавания образов по критерию
минимума евклидова расстояния приведена
на рис. 22.4. На этом рисунке в двумерном
признаковом пространстве (7V = 2) Xj и х2
показаны два класса I и II с эталонами, за-
данными векторами Zj и z2. Неизвестный образ со, заданный вектором
находится на расстоянии Sj от эталона (центра) I класса и на расстоя-
нии s2 от эталона II класса. Пусть st < s2, тогда согласно критерию мини-
мума евклидова расстояния образ со зачисляется в I класс, т. е. со €Е П2.
Однако выполнение условия Sj < s2 еще не гарантирует попадания
образа w в I класс. Для принятия окончательного решения о принадлеж-
ности образа со необходимо выполнение еще одного условия: расстояние
между образом со и выбранным эталоном не должно превышать неко-
торого граничного расстояния s . Тогда алгоритм классификации можно
записать в виде
В качестве граничного значения sr могут быть выбраны различные
расстояния. Рассмотрим некоторые из них, например расстояние между
точкой и множеством. Пусть в TV-мерном признаковом пространстве выде-
лен некоторый класс £2, включающий в себя L эталонных образов о*!,
а2, .... aL. Согласно (22.1) расстояние между /-м и /-м эталонными обра-
зами
со G £2*., если
В таком случае среднеквадратическое расстояние между образом
2Г. и всеми остальными эталонными образами в данном классе
-_______ /~ L „_________Z L N ~~
- V- <22-2>
Теперь рассмотрим в качестве внутримножественное расстояние,
представляющее собой среднеквадратическое расстояние между всеми
эталонными образами в выделенном классе. Согласно (22.2) его можно
представить в виде
314
, , L , к N
s [гтт s 2 Ч* =
L L 4=1 >U=1 (22.3)
=^77Г-ПГ 222 (aik-aiJ2-
L(L 1) i=i J=l k=l lK JK
Внутримножественное расстояние можно выразить также через дис-
персии значений признаков. После перегруппировки выражение (22.3)
примет вид
12 = —(^ik-aik)2]
L - 1 jt=l L2 i=1 /=i »* JK
или после преобразований
»2 = гЬ £ <22-4>
Так как здесь рассматривается одно и то же выборочное множество,
=(“jk)2 и (224) принимает вид
72 = тЧл
Как известно, несмещенная оценка дисперсии
А 1=1
После преобразований
(а^)2=ГТ-[ 1ак~(“к)2А-
Следовательно, используя несмещенную оценку дисперсии, получаем
выражение для внутриклассового расстояния:
N
? = 22 (ак)2, (22.5)
к=х
где °К _ среднеквадратическое отклонение по координате К.
Взвешенное евклидово расстояние принимается в том случае, когда
удается установить значимость каждого признака. Его ’’вес” при прове-
дении классификации объектов, характеризуемый величиной ^(ы,,
<^2 , ^к) ,
- -
s(x z.) = \fY ь>к(х k-z.k)
Следует отметить, что не все признаки образа, соответствующие от-
дельным координатным осям хк, в равной степени важны для определения
класса, которому принадлежат средние образы. При этом признакам с
меньшей значимостью следует приписывать меньшие веса. Назначение
весов признаков можно осуществить посредством линейного преобразо-
вания признакового пространства, которое обеспечит благоприятную
группировку точек, представляющих образы в новом пространстве. Ука-
занную задачу можно сформулировать, например, в следующем виде:
минимизировать внутриклассовое расстояние путем линейного измене-
ния масштабов оок по осям координат при наличии следующих ограничений
на значения весовых коэффициентов: _
s2 -* min
W k
N K
S Wk=L
k=l K
(22.6)
С учетом весовых коэффициентов W. выражение (22.5) примет вид
_ N К
s^wk^ (22-7)
Поиск условного экстремума функции s2(Wk) при наличии ограниче-
ний (22.6) проводится с использованием метода Лагранжа. Новая функ-
ция от аргумента W. будет
К N
&(Wk)=S2(Wk)-V(ZWk-l).
N „ N
Ф(^к) = 2ZJW* ок)2 - - 1),
где v — множитель Лагранжа, определенный как
N 1
“ = 4/м А <22-8)
Возьмем частную производную от (22.8) по весовому коэффициенту
Wk и приравняем ее к нулю. После проведения соответствующих упроще-
ний получаем
И^р/402 =!/о* ^(1/а2). (22.9)
Из (22.9) следует, что признакам с большей дисперсией приписывают-
ся меньшие веса.
Рассмотрим следующий пример. На рис. 22.5 изображено восемь об-
разов в двумерном признаковом пространстве. Определим внутриклас-
совые расстояния до и после преобразования признакового пространства.
Координаты образов
2^ (0;3); оЧ (1;3) ; Т3(3;3); ^(4;3);
a~s (0;1);1Г6(1;1); ^(3;1); (4; 1) •
Координаты центра класса определяются по формуле
Ч’тД"»-*"1-2-’ £"8-
Рис. 22.5. Изображение вось-
ми образов в двумерном про-
странстве признаков
Следовательно, Т (2; 2). Определим дис-
персии каждого признака;
°к=Г-Г Л = 1,2, Л=8
ИЛИ
о2 = 20/7; о2 = 8/7 .
Значение квадрата внутриклассового рас-
стояния согласно (22.5) составляет $2 = 8.
Определим теперь весовые коэффициенты
каждого признака по (22.9): = 0,1; W2 =
= 0,625. Как видим, признаку х2 приписыва-
316
ется больший вес, так как разброс по этой координате меньше. Следова-
тельно, мера доверия к значениям признака х2 выше, чем к Xj. Используя
(22.7), определим квадрат s2 внутриклассового расстояния в новом при-
знаковом пространстве: "si =2.
Следовательно, преобразования признакового пространства с помощью
коэффициентов И7! и И2 позволили уменьшить квадрат внутриклассового
расстояния в К = s2/s2 =4 раза. Этот метод позволяет сконцентрировать
эталонные образы, принадлежащие к одному классу, в определенной об-
ласти признакового пространства, что позволяет повысить достоверность
распознавания образов.
Меры сходства не исчерпываются расстояниями. В качестве примера
можно привести функцию сходства, представляющую собой косинус угла,
образованного векторами х и z:
s(x,T)= xz/\xl Izl = cosfx,* z). (22.10)
Учитывая свойство скалярного произведения векторов
xz = S x.z. ,
к=1 к к
перепишем (22.10): j
s(x,z)=% x.ZjJv х? £ z2 (22.11)
k=l k k k=\ k k=l k
Таким образом, зная координаты неизвестного вектора х и центра
класса z по (22.11), можно определить меру близости образа х и класса
с центром z.
Решение о принадлежности образа х классу П- с центром zj. принима-
ется при условии:
хG £2, если s(х, zj = max s(х, z.)
или
(х, z;) = min (х, zj .
1 ’
Указанный корреляционный метод позволяет выделить клинообраз-
ные скопления образов с вершинами клиньев в начале координат, напри-
мер, как показано на рис. 22.6. Здесь s(x, z\) = cos </>1 > s(x~, Т2) = cos <р2,
поэтому х G .
В случае применения регрессионного метода распознавания мерой
близости можно считать расстояние от образа до линии регрессии, про-
ходящей через средние совокупности точек с наклоном, пропорциональ-
ным корреляции между признаками. Этот метод позволяет выделить
клинообразные скопления образов с центром около пересечения линий
регрессии, например, как показано на рис. 22.7.
Вероятностные алгоритмы. Один из интересных путей решения зада-
чи идентификации образов в случае, когда характер признаков вероят-
ностный, — использование алгоритмов распознавания, основанных на
теории статистических решений.
Пусть имеем два класса Xj и х2 опознаваемых объектов, а для харак-
317
Рис. 22.6. Изображение в дву-
мерном признаковом простран-
стве клинообразных образов
Рис. 22.7. Изображение в двумер-
ном признаковом пространстве кли-
нообразных образов с центром пере-
сечения линий регрессии
теристики объектов используется признак х. Кроме того, известны услов-
ные плотности распределения вероятностей Pi (х) и Р2 (х) значений приз-
нака по классам S2X и £22, а также априорные вероятности p(S2i) ир(£22)
появления классов. Необходимо установить, что значение х0 признака
х представляет собой границу классов (рис. 22.8).
Пусть в результате эксперимента определено значение х° у распозна-
ваемого образа со. При этом, если х° > х0, то w£ Я2, если же х° < х0,
то cj G . Если образ относится к классу , а его считают образом клас-
са S22, то допускается ошибка первого рода, условная вероятность которой
Л Л (x)dx .
Xq
Условная вероятность ошибки второго рода, когда объект из класса £22
относят к классу Sli ,
хо
Рг(х)= !J2(x)dx.
Таким образом, при выборе значения х0 должны быть учтены потери,
сопряженные с правильными и ошибочными решениями. Функции потерь
от ошибок первого и второго рода, а также потери правильных решений
образуют некоторую матрицу потерь (платежную матрицу) вида
где С'12 и C2i - потери от ошибок
первого и второго рода; Сц и С\ 2 —
потери от правильных решений.
Часто потери С12 и С21 выбирают
из условий I Ci 2 I < 1 и IС211 < 1,
а потери С\ i и Ct 2 — из условия Ci i =
= Ci 2 =0 (нет потерь от правильных
решений) либо Сц > 1 и С22 > 1
(выигрыш от правильных решений).
318
Сумма потерь, связанных с неправильными решениями с учетом услов-
ных вероятностей их появления и априорных вероятностей появления
классов, равна среднему риску при многократном распознавании образов:
Я=р(£2,)С11(1 -Qi) +p(nl)C12Q1 + P(U2)C22(1-Q2) + (22.13)
+ P(S22)C2lQ2 .
Подставляя в (22.13) выражения для Qt и Q2, получим
Я = р(Я1) [Сц f\(x)dx +С t2°Sf\(x)dx\ +
(22.14)
+ Р(И2) [С22 f f2 (x)dx] .
*o
При этом оптимальное значение х0 находится из условия
— р
R -> mm.
Для определения значения х0, при котором R минимальна, продиф-
ференцируем (22.14) по х и приравняем производную к нулю, положив
х=х0:
\dR/dxtx = Xo = р(Щ) [CuPtfxo) -Cl2pt(x0J] +
+ p(S22) [C2lp2(x0) ~C22p2(xQ)\ =0
. и
Pifxj/Pr (XO) = Р(П1)С-"12 ~ C11) • (22.15)
Сц — C22
Отношение p2 (x^j/p^ (x0) называют коэффициентом правдоподобия,
при этом правая часть (22.15) представляет собой критическое значение
коэффициента правдоподобия:
Р(^)(С12 - Q 1)/Р(П2) (С21 - С22) = Хо . (22.16)
Таким образом, зная описание классов, по формуле (22.16) можно
определить значение Хо, а затем и х0.
В качестве примера определим значение х0 У образов, относящихся
к классам и Л2, считая, что условные вероятности появления приз-
нака х подчинены нормальным законам распределения:
- (х - пц/2
Pi(x) = -r2- е 2ai ,
где т2 и т2 — математическое ожидание признака х для I и II классов.
В этом случае/огласно (22.15), имеем
. (ха ~mt)2 _ (хд- w2)J .
е 2 ai 2 = c2X0/Ol . (22.17)
Решая (22.17) относительно х0> получим
319
n m i — о2 m 2 ± ®iP2\ (tn 2 ~ m i)* + 2 (O2 ~ 1) *n ^0^2 l®i
—2----T
02 -
В частном случае, если ot =о2 -о, то из (22.17) следует:
т 1 + то . о21пЛ0
х0 =---------- + --------- •
2
Если С12 =C2i, Сц =С22 =0 и Р(Ю1) = Р(122), то из (22.16) имеем Хо =
-1,тогда
_ т j + т 2
*о------Л----- •
Критерий Байеса — правило, в соответствии с которым обеспечивает-
ся минимум среднего риска при выбранной стратегии решений. Байесов-
ский критерий применяют, если известны априорные вероятности появле-
ния классов, условные плотности распределения значений признаков по
классам и платежные матрицы.
Пусть в результате опытов установлено, что значение признака у рас-
познаваемого образа со составляет х = х°. Тогда условная вероятность
решения со G £2 х
РЦЫх") =P(£2t)Р1(хШ jP^x0) + Р(П2)Р2(х°) ],
а условная вероятность решения со G £22
Р(Я2/х°) =Р(И2)Р2(х°)/[Р(П1)Р1(х0) + Р(И2)Р2(хУ] .
Условные риски, связанные с решениями со G £2Х и со G £22, соответ-
ственно
R(n1/xv) =C21P(Sl2/x°) ,
7?(122/xo) = С22Р(Пх/х°) .
Алгоритм распознавания, основанный на байесовской стратегии, дол-
жен решать задачу с минимальным средним риском. Это значит, что пред-
почтение решению со G £2Х следует отдать тогда, когда R(£~li/x0') <
< Я(£22/Л-
Если число классов равно М, а число признаков N, то средний риск,
связанный с решением со G S2-, будет
*_ 1 м
R^G 12.) =Р(121 )Р.(х°1г.... х^Си./ЕР(£2.)Р/х?,..., х *) .
В этом случае алгоритм принятия решений состоит в следующем:
со G £2;., если R (со G £2^) =. mijiJ? (со G £2^.) .
Минимаксный критерий/*Йри неизвестных априорных вероятностях
появления объектов соответствующих классов при построении РИС воз-
можны ситуации, когда минимизацию значения среднего риска принятия
решения осуществляют на основе байесовской стратегии. В этом случае
минимизацию значения среднего риска принятия решения осуществить
на основе байесовской стратегии невозможно. Рациональнее использо-
вать критерий, минимизирующий максимально возможное значение сред-
него риска. Этот критерий получил наименование ’’минимаксный”.
320
Допустим, имеем классы S2t и S22, тогда средний риск, определяемый
(22.14) сучетом того, что Р(£22) =1 —/*(521), Clt = С22 =0, будет
R=P{Q.v)Cl2 JP1(x)dx+ [l-pcno] C21f P2(x)dx . (22.18)
*0
Напомним, что априорная вероятность P(Sli) неизвестна. Построим
график функции R -f [P(S2i)] , помня, что R =0 приР(П2) =0 иР(П1) =
= 1 (рис. 22.9). _
Примем, что R достигает своего наибольшего значения при P(f2j) =
= P'(S2i). Этот риск представляет собой максимальное значение минималь-
ного байесовского риска, т. е. А“аЛ Использование минимаксного кри-
терия, таким образом, означает, что при отсутствии данных относительно
априорных вероятностей появления классов может быть принято равен-
ство P(S2j) -Р'(£2,). _
Касательная к кривой R =f [P(S2j)] в точке А определяет средние
потери при P(S2j) =Р‘(£2j):
R=p\nl) (c12q^~ с21 e2)+c2Ie;, (22.19)
где Qi = Qi [P*(£2i) ] и Qi -Q2 [Р,(£21)] — ошибки первого и второго
рода при априорной вероятности P(J2j) -Р' (£2j).
При P'(S2j) средние потери достигают максимума, если касательная
(22.19) параллельна оси абсцисс, и средние потери неизменны, если
Р(£2,) ¥^'(£2,).
Рассмотрим, к каким последствиям может привести выбор другого
значения Р(£21), отличного от /’’(ilj). Если допустить, что выбрано зна-
чение P*'£i21), то средние потери описываются уравнением касательной
и кривой R =f [P(S2j) ] в точке В:
R =P"(f21) (C12Q4 - C21Q'i) + С2! Q'i.
Обозначим теперь абсциссу точек пересечения касательных в точках
А и В через Р"' (Я). Тогда, если P(S2i) < Р'"(П1), то средний риск будет
меньше, чем при минимаксной стратегии. Но если P(S2i) > P'"(X2i), то
потери возрастают, достигая чрезмерных значений. Выбор минимаксной
стратегии гарантирует исключение по-
добных потерь.
Для определения алгоритма при-
нятия решения, соответствующего ми-
нимаксной стратегии, продифференци-
руем (22.18) по P(S2i) и приравняем
производную к нулю:
C127fi(x)dx= (22.20)
= с21 f f2(x)dx .
— со
Найдя из (22.20) значение х0»
запишем алгоритм принятия решения:
11- 1431
Рис. 22.9. График зависимости веро-
ятности появления образов
321
gj e , если x =x° < x0;
w 6 fi2, если x = x° > x0 .
(22.21)
Итак, минимаксная стратегия есть байесовская стратегия для наи-
худших значений априорных вероятностей, дающая хотя и осторожное,
но гарантированное значение среднего риска.
Критерий Неймана—Пирсона. При построении некоторых РИС бы-
вают неизвестными не только априорные вероятности появления клас-
сов, но и платежная матрица [2.12] . В подобных случаях пользуются
критерием Неймана—Пирсона. При использовании этого критерия учи-
тывают, какие решения принимаются на основании распознавания, и оп-
ределяют допустимое значение условной вероятности ошибки первого
рода; далее определяют такую границу между классами, придерживаясь
которой удается добиться минимума условной вероятности ошибки вто-
рого рода.
Допустим, принято решение, что условная вероятность ошибки пер-
вого рода не должна превышать некоторой постоянной величины А, т. е.
Qi Требуется определить решение задачи
х0
Q2 = min f f2 (x)dx T (22.22)
при I
Gi=7/i (x)dx < A .J
График функции Q2 =f(Qi), представленный на рис. 22.10, построен
с учетом, что Q2 = 1 — Qt. При этом очевидно, что значение х0 удовлет-
воряет уравнению
°Sfi(x)dx=A, (22.23)
*о ,
так как при выборе другого значения Ao > х0 условная вероятность ошиб-
ки второго рода Q2 будет возрастать, а при х$ < х0 условная вероятность
ошибки первого рода Qi>A, что противоречит условию (22.22).
Следовательно, критерий Неймана—Пирсона позволяет по уравнению
(22.23) установить границу классов х0, обеспечивающую требуемую
вероятность ошибки первого рода. В этом случае
алгоритм принятия решения аналогичен (22.21).
Вопросы для самоконтроля
1. В чем особенность систем распознавания образов?
2. Опишите признаки, характеризующие распоз-
наваемый объект.
3. Представьте алгоритм реализации задачи рас-
познавания образов.
4. Какие существуют виды РИС по способу полу-
чения информации?
5. Приведите классификацию РИС по количеству
априорной информации.
Рис. 22.10. График зави-
симости между образами
6. Приведите классификацию РИС по характеру используемой информации о
признаках объекта.
7. Какова сущность детерминированного алгоритма распознавания образов?
8. Запишите вероятностный алгоритм распознавания образов.
9. В чем суть критерия Байеса для алгоритма распознавания образов?
Г Л А В А 23. ТЕЛЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
§ 23.1. Особенности функционирования
и принципы построения
Телеизмерительные информационные системы (ТИИС) в отличие
от описанных выше ИИС имеют каналы связи большой протяженности
(десятки и сотни километров), что значительно влияет на их структуру
построения и параметры. В настоящее время ТИИС строятся на основе
агрегатного комплекса средств телемеханики ГСП, использующих эле-
менты современной интегральной технологии и универсальных вычисли-
тельных устройств.
Важнейшей функцией ТИИС является телеизмерение (ТИ), при кото-
ром должна быть обеспечена передача измерительной информации по
КС с погрешностью, не превышающей допустимой. Отсюда видна важ-
ность функции измерения в ТИИС, реализация которой осуществляется
с помощью телизмерительных систем (ТИС).
Разнообразие технологических процессов на промышленных объектах
требует от ТИИС выполнения различных объектов телемеханических
операций: телеуправление (ТУ) двухпозиционными (многопозиционными)
объектами или переключающими установками, телеизмерение (ТИ) мгно-
венных или интегральных значений параметров, телесигнализацию (ТС)
аварийного состояния объекта, при необходимости двустороннюю теле-
фонную связь. При выполнении этих телеопераций система должна обес-
печивать достаточные надежность и помехоустойчивость.
Для повышения достоверности передачи информации по каналам
связи используется защита кода методом квитирования (подтверждения)
и повторения по паритету и комплектности, а также защита от помех
каждого информационного разряда по амплитуде и длительности. В ТИИС
предусматривается однократный перезапрос информации с контролируе-
мого пункта. Если она и второй раз искажена, то перезапрос прекращает-
ся и выдается сигнал ’’Отказ аппаратуры”.
Передача информации в ТИИС может быть организована различными
способами — циклическим и по вызову [1.1] .
При циклическом способе информация может передаваться с задан-
ной последовательностью с каждого объекта. При этом период цикла
передачи информации выбирают в зависимости от заданного времени
измерения, например передача интегральных значений параметров, как
правило, осуществляется один раз в смену или в сутки. Отметим, что
323
такие вады сообщений, как ТС аварийная (состояния) и ТУ, передаются
независимо от предыдущих значений параметров. Часто информация пере-
дается спорадически, в зависимости от важности поступившей информации.
Способ передачи информации по вызову обычно реализуется при
необходимости контроля состояния объекта или группы объектов.
В ТИИС, учитывая возможность подключения к ней объектов раз-
личной важности и ценности, как правило, используется режим приорите-
та, позволяющий значительно сократить общее время передачи информации
о технологических параметрах и состоянии объекта. Очередность приори-
тетных сообщений обычно принимают следующей: ТС (возникает при
любом изменении состояния объекта); ТУ (команданая информация,
наиболее эффективно воздействующая на объект управления при аварий-
ных ситуациях); ТИ (по результатам измерения осуществляется переда-
ча на объект регулирующего воздействия).
Телеизмерительная ИС представляет собой совокупность функци-
ональных трактов — сбора, передачи и обработки различных видов инфор-
мации ТС, ТИ, ТУ и др. Тракт ТС реализуется следующим образом. Конт-
ролирующий пункт (КП) содержит узел фиксации состояний объектов
по результату циклического сравнения предыдущего и текущего состоя-
ний. Если происходит несовпадение этих состояний, то информация о
новом состоянии объекта передается в приемный пункт (ПП) системы
управления.
При реализации функций ТУ аппаратура КП формирует управляющие
воздействия на исполнительные органы. На ПУ поступает ответная инфор-
мация о выполнении (или невыполнении) команды ТУ.
Тракт ТИ при передаче текущих значений измеряемых параметров
в аппаратуре КП фактически выполняет функции коммутатора. В этом
случае в состав аппаратуры КП может входить АЦП, но здесь отсутствует
процедура обработки информации. В режиме измерения интегральных
значений параметров аппаратура КП имеет в своем составе специальный
программно-логический блок. Аппаратура КП осуществляет также интег-
рирование значений измеряемых параметров и по команде от ПУ выдает
информацию последнему.
Наибольшая аппаратная нагрузка ТИИС приходится на тракт ТИ
(или ТИС), поэтому выбор рациональных методов сбора, передачи и об-
работки информации является определяющим.
§ 23.2. Каналы связи
Канал связи (КС) представляет собой совокупность линии связи
(ЛС), приемопередающих устройств, обеспечивающих передачу изме-
рительной информации от источника к потребителю с требуемыми мет-
рологическими характеристиками. При этом КС могут быть симплекс-
ными, когда обмен информацией происходит в одном направлении, и
дуплексными — в обоих направлениях. Каналы связи строятся на основе
проводных и радиолиний связи. Проводные ЛС реализуются с исполь-
324
зованием воздушных или кабельных проводов и характеризуются погон-
ным и активным (Ом/км), емкостным (мкФ/км), индуктивным
(мГн/км) сопротивлениями и погонной проводимостью (утечкой,
10м/км). Проводные ЛС характеризуются затуханием при передаче по
ним информации. Наибольшее затухание присуще стальным проводам
ЛС. Характеристики проводных линий связи приведены в табл. 23.1. [1.1] .
Таблица 23.1
Значение погонных сопротивлений двухпроводных линий
для сигналов постоянного тока при температуре 20 °C
Тип ЛС Расстояние между провода- ми, см Диаметр провода, мм Активное сопротивле- ние, Ом/км Индуктивное сопротивление, мГн/км Емкостное со- противление, мкф/км
Воздушная: с медным проводом 20 4 2,84 1,94 0,006
со сталь- ным про- водом 20 4 22 9 0,006
Кабельная 0,2 0,5 - 1,4 190 - 23 0,5 - 0,7 0,03 - 0,88
Сопротивление (погонное) изоляции для воздушных ЛС составляет
25 — 125 МОм/км, для кабельных ЛС — 2 — 5000 МОм/км для линий с
параметрами, указанными в табл. 23.1. Отметим, что сопротивление изо-
ляции ЛС в значительной степени зависит от атмосферных условий (дождь,
снег, температура окружающей среды) для воздушных и от температу-
ры и состояния грунта для кабельных ЛС.
При использовании в качестве КС телефонных каналов выделяемая
полоса частот равна 4 кГц, при этом лишь диапазоны от 0 до 300 и от
3400 до 4000 Гц могут быть использованы для сигналов ТИИС. Основ-
ные схемы использования КС представлены на рис. 23.L Схемы рис. 23.1, а,
б — цепочечные или последовательные, а рис. 23.1, в, г — радиаль-
ные и кустовые. Выбор той или иной структуры ЛС определяется эконо-
мичностью и надежностью. В то же время эти величины определяются про-
тяженностью линий, т. е. ее длиной. Таким образом, для удешевления ли-
нии необходимо найти способ кратчайшего соединения источника сооб-
щений И и приемника информации П.
Например, в схеме рис. 23.1, а, если И соединены последовательно,
то длина линии Lo будет наименьшей, и если приемник находится вбли-
зи одного из источников информации, то
L0 = l0(N-l) ,
325
Рис. 23.1. Основные схемы использо-
вания КС:
а, б - цепочечная или последователь-
ная; в — радиальная; г — кустовая
(77 — приемник информации; И -
источник сообщения)
где 10 — расстояние между N — число источников.
Основные характеристики канала связи — емкость канала и скорость
передачи информации. Емкость канала
Ек = ,
где Т — время, в течение которого канал занят передачей сигналов, со —
полоса частот, пропускаемая каналом; Ак — характеристика, показываю-
щая превышение мощности сигнала, которую может пропустить канал,
над мощностью помехи в канале.
Скорость передачи vK - 1/Тк, где I - количество информации; Тк —
время передачи, т. е. пропускная способность канала определяется мак-
симальным количеством информации, которая может передаваться в
единицу времени (ед. инф/с).
Максимальное значение i>K называют пропускной способностью канала.
Пропускная способность канала максимальна:
при отсутствии помехи, когда вероятность превращения ”1” в ”0”
и наоборот равна нулю;
при Ро = 1, т. е. когда заранее известно, что ”1” - это ”0”, а ”0” -
зто ”1”.
326
Однако если Ро = 0,5, т. е. вероятность
приема искаженного и неискаженного сим-
волов одинакова, то ничего достоверного
о передаваемом сообщении сказать нельзя
и пропускная способность будет равна нулю.
Для передачи информации без иска-
жений должны быть соблюдены следующие
условия: емкость канала должна быть боль-
ше объема информации, содержащейся в
сигнале, а пропускная способность канала -
больше скорости выдачи информации источ-
ником сигнала. Отсюда следует необходи-
мость согласования канала с источником
информации.
В ТИС с радиоканалом используется
частотный диапазон от 300 МГц до 30 ГГц
при передаче информации во избежание
воздействия помех от радиостанций и про-
мышленных объектов.
уплотнения
Рис. 23.2. Структурная схема
передающего устройства с ис-
пользованием в качестве КС
световода:
СгУ - согласующее устрой-
ство; ПМ - подмодулятор;
ЭОМ — электронно-оптический
модулятор; КГ - квантовый
генератор; ПОС — передающая
Каналы связи подвержены воздействию оптическая система
помех от атмосферных явлений, различных космических шумов, разря-
дов и др. Как показывает анализ, основными помехами являются флук-
туационные, синусоидальные помехи различных частот, а также импульс-
ные помехи в виде одиночных импульсов и пачек (до 10 — 20 импульсов).
Лазерная техника также позволяет осуществить передачу информации
по световодам, получающим в последние годы все более широкое распро-
странение. Суть использования световодов в качестве КС поясним на при-
мере структурной схемы передающего устройства по рис. 23.2. Предвари-
тельно уплотненная информация поступает на вход согласующего устрой-
ства СгУ и далее на подмодулятор Пм. На один вход электронно-оптичес-
кого модулятора ЭОМ поступает сигнал с выхода ПМ, а на другой вход —
сигнал от оптического квантового генератора КГ. Таким образом, про-
модулированные световые колебания после передающей оптической сис-
темы ПОС направляются в КС.
§ 23.3. Методы уплотнения каналов связи в ТИС
В ТИС при передаче сигналов от нескольких первичных измерительных
преобразователей возникает необходимость уплотнения каналов связи.
Широкое применение получили электрический, частотный и временной
методы уплотнения. При электрическом уплотнении используется сочета-
ние полярности сигналов либо переменный и постоянный токи.
Частотное уплотнение осуществляется по схеме рис. 23.3.
Каждый измерительный канал на передающей стороне имеет свой
преобразователь П. амплитудно-модулированного в частотно-модулиро-
ванный сигнал Л, усилитель У. и полосовой фильтр ПФ., выходы которых
подключены к КС.
327
Рис. 23.3. Частотное уплотнение КС:
П - преобразователь; У — усилитель; ПФ - полосовой
фильтр; КС - канал связи; ИУ - измерительное устрой-
ство; БУ - блок управления
На приемной стороне полосовые фильтры ПвУ осуществляют разделе-
ние измерительных каналов и соответствующая информация поступает
на измерительное устройство ИУ.. В результате на ИУ1 каждого канала
индицируется результат измерения физической величины х..
Временной метод уплотнения канала связи осуществляется по схеме
рис. 23.4. Здесь с помощью коммутатора Кг по сигналу с блока управления
БУ на вход/СС поочереди подключаются вес каналы х^и информация после
усилителей У} последовательно через К2 приемной стороны поступает
на соответствующее ИУ.. Для обеспечения нормального функциониро-
вания ТИС коммутаторы Кх и К2 должны работать синхронно и синфаз-
но. Например, нарушение синфазности по какой-либо причине приводит
к искажению информации.
Не останавливаясь на различных способах синхронизации (шаговый,
циклический, сменнокачественный, от единой сети переменного тока),
укажем, что циклический способ синхронизации находит широкое при-
менение. Здесь синхронизация осуществляется с помощью двух непрерыв-
но работающих самостоятельных генераторов, имеющих одинаковую
настройку частоты. У генераторов расхождение частот корректируется
совмещением начальных положений распределителей и начальных фаз
генераторов.
Рис. 23.4. Временное уплотнение КС (К -
коммутатор);
Выбор того или иного ме-
тода уплотнения КС определя-
ется конкретными условиями.
При частотном методе уплот-
нения важен правильный вы-
бор полосы пропускания час-
тот, что определяется прежде
всего быстродействием систе-
мы. Наибольшее распростране-
ние получили структуры, с
помощью которых может быть
передана последовательно ин-
формация — от десятков, сотен
и тысяч источников информации.
328
Трудности реализации частотного метода уплотнения канала связи
при передаче большого числа сообщений заключаются в появлении взаим-
ного влияния каналов и перекрестных помех, вызванных нелинейностью
цепей и проявляющихся в виде перекрестной модуляции. Здесь в полосу
пропускания ’’чужих” фильтров проникают комбинационные частоты,
создающие помехи. В результате возникают ошибки в различении при-
нятых сигналов. Для ослабления вредных последствий перекрестной моду-
ляции необходимо тщательно выбирать несущие частоты, чтобы перекрест-
ные помехи с достаточно большими амплитудами не попадали в полосу
пропускания ’’чужих” фильтров.
Особенность временного уплотнения канала связи заключается в том,
что сигналы различных сообщений передаются последовательно во времени.
Установленные на передающей и приемной сторонах коммутаторы, рабо-
тающие синхронно, обеспечивают подключение соответствующих сооб-
щений к своим приемным устройствам. Выбор частоты переключения
коммутаторов определяется из условия точности восстановления сооб-
щений с учетом ограничений по полосе частот, пропускаемых каналом
связи. Согласно теореме Котельникова, непрерывная функция времени
x(t), спектр которой не содержит частот более /тах, полностью определя-
ется последовательностью дискретных отсчетов, если интервал Д/ между
двумя отсчетами удовлетворяет условию Д? < V2/max- Восстановление
сообщения по зарегистрированным дискретным сообщениям в темпе
приема сигналов осуществляется с помощью фильтра нижних частот. При
временном уплотнении также приходится применять специальные меры
для устранения взаимного влияния сигналов соседних каналов, для чего
рабочие промежутки времени t _ для каждого сообщения разделяются
защитными интервалами Выбор частотного или временного метода
уплотнения каналов определяется конкретными условиями, для которых
разрабатывается система, типом применяемых модуляторов, числом кана-
лов, необходимой точностью передачи показаний, динамическими харак-
теристиками измеряемых параметров, характеристиками канала связи
и др.
§ 23.4. Аппаратура передачи данных в АСУ
В настоящее время промышленность выпускает ТИИС в составе много-
функциональных систем телемеханики, построенных по блочно-модуль-
ному принципу с применением микропроцессоров и микроЭВМ.
Однако в связи с широким развитием микроЭВМ значительно изме-
нилась структура передачи измерительной информации в АСУ. При этом
передача данных осуществляется по коммутируемым и некоммутируемым
каналам связи. В первом случае абонентский пункт (АП) и вычислитель-
ная машина соединяются через оборудование АТС общего пользования,
во втором — связи АП и ЭВМ носят постоянный характер. Эти каналы
связи известны еще названием ’’выделенные”, поскольку они резервиру-
ются из сети общего пользования для выполнения определенных задач
потребителя.
329
Аппаратные средства для передачи информации подразделяются на
три основные группы: аппаратура передачи данных (АПД), мультиплек-
соры передачи данных и абонентские пункты. В состав группы АПД вхо-
дят устройства модуляции и демодуляции (модемы). С целью унификации
сопряжения отдельных звеньев аппаратуры с учетом международных
рекомендаций в ЕС ЭВМ разработаны стандарты на унифицированные
стыки — интерфейсы. Для ЕС ЭВМ разработаны модемы Венгрией —
ЕС-8002, ЕС-8006, Болгарией — ЕС-8001, ЕС-8005, Чехословакией —
ЕС-8002 и ГДР — ЕС-8002. Перечисленные устройства предназначены для
надежной передачи цифровых данных по телефонным линиям связи. Ско-
рость передачи данных по информационным каналам для устройств ЕС-
8001, ЕС-8002 составляет 200 с-1, для устройств ЕС-8005 и ЕС-8006 —
600/1200 с"1.‘
Трудности получения выделенных КС в городских условиях и в усло-
виях территорий объектов управления приводят к целесообразности осу-
ществления передачи данных по линиям АТС. Линии при этом занимают
лишь на время передачи, в остальное время их используют по прямому
назначению.
У нас в стране и за рубежом разработаны системы передачи двоич-
ной информации по телефонным каналам связи, в которых применяют-
ся различные способы модуляции.
Максимальное количество информации, передаваемой с каждого
объекта, не превышает, как правило, 30000 бит в сутки. Это позволяет
использовать для передачи данных несложную аппаратуру со скоростью
работы 50 — 75 с"1.
Другим преимуществом данной аппаратуры является то, что в ней
в качестве оконечных устройств могут быть использованы стандартные те-
леграфные аппараты. Это дает возможность вести передачу в стандартном
коде М-2 и одновременно с перфолентой получать информацию на рулон-
ной ленте телетайпа в виде документа.
Описываемая аппаратура представляет собой модулятор-демодулятор
(модем), преобразующий посылки постоянного тока, являющиеся вход-
ными и выходными для телеграфных устройств, в стандартные высоко-
частотные сигналы.
Для передачи сигнала по коммутируемым телефонным каналам при
выбранных скоростях должна применяться частотная манипуляция с несу-
щей частотой 1300 Гц для передачи единицы и 1700 Гц для передачи нуля.
Для посылки командного сигнала может быть использована частота 435 Гц.
Как видно из функциональной схемы (рис. 23.5), учитывая односто-
ронний режим передачи, с целью уменьшения общего числа блоков введе-
на коммутация режимов работы аппаратуры, которая позволяет исполь-
зовать одни и те же блоки для передачи и приема информации и команд-
ного сигнала. Для установления связи с абонентом используется телефон-
ный аппарат ТА, по которому осуществляется договоренность о передаче
данных, после чего аппаратура переключается в режим ’’данные” и про-
исходит прием-передача информации.
330
Рис. 23.5. Функциональная схема аппаратуры передачи:
БПИС - блок передачи измерительных сигналов; БПрКС —
блок приема командного сигнала; БПрИС — блок приема
измерительных сигналов; БПКС — блок передачи команд-
ного сигнала; СТА - схема телеграфного аппарата; ЛФ —
линейный фильтр; ПФ - полосовой фильтр; СТ — согла-
сующий трансформатор; СУ — смесительное устройство;
К — коммутатор; 7И — телефонный аппарат
При работе в режиме ’’передача” к КС подключаются БПИС и БПрКС.
Основным узлом БПИС является двухпозиционный модулятор, который
управляется прямоугольными посылками отрицательной полярности,
поступающими от схемы телеграфного аппарата СТА.
Частотно-модулированные сигналы с БПИС после смесительного уст-
ройства СУ, полосового фильтра ПФ и согласующего трансформатора
СТ поступают в телефонный КС. Уровни этих сигналов могут регулиро-
ваться в БПИС. При работе устройства в режиме ’’передача” может быть
получен командный сигнал от абонента, работающего в режиме ’’прием”,
сигнализирующий о необходимости перейти на режим ’’телефон”. Команд-
ный сигнал от абонента поступает с КС амплитудой 20 — 30 мВ, поэтому
он может быть подавлен сигналами передаваемых частот 1300 и 1700 Гц
более высокой амплитуды. Для выделения командного сигнала между
СТ и усилителем БПрКС включен линейный фильтр ЛФ1, настроенный
на частоту 435 Гц и дающий затухание на частоте 1300 Гц более чем в
1000 раз. Далее командный сигнал в БПрКС выделяется на детекторе,
который включает сигнальное реле, управляющее зуммером и сигналь-
ной лампой. При работе в режиме ’’прием” и КС подключаются БПрИС
и БПКС. В режиме ’’прием” частотно-модулированные посыпки вместе
с помехой поступают через СТ на вход линейного фильтра ЛФ2, который
выделяет спектр полезного сигнала, подавляя частично помехи. Далее
выделенный сигнал через СУ поступает в БПрИС, где он усиливается и
ограничивается по амплитуде, тем самым получается стандартная посыл-
ка, свободная от помех в широком диапазоне амплитуд входного сигнала:
331
это увеличивает надежность работы устройства. В БПрИС сигнал усили-
вается и поступает на вход демодулятора, представляющего собой резо-
нансный усилитель. Два параллельных контура резонансного усилите-
ля, включенные последовательно, выделяют посылки частотами 1300 и
1700 Гц. С выхода демодулятора нулевые уровни напряжения подаются
на дифференциально включенные обмотки поляризованного реле. Кон-
такты реле разрывают или замыкают цепь электромагнита телеграфного
аппарата СТА. Работая согласно с поступающим кодом, электромагнит
управляет соответствующими механизмами СТА, вследствие чего проис-
ходит перфорация и печать принятого знака. При неудовлетворительном
качестве приема возникает необходимость в передаче командного сиг-
нала для вызова передающего абонента. Для посылки командного сиг-
нала на пульте управления амплитуды подготавливается цепь ’’вызов”
в БПКС. При этом к выходу этого блока подключается генератор команд-
ной частоты (435 Гц), сигнал с которого предварительно усиливается и
после СУ передается в КС.
§ 23.5. Характеристики, структуры и принципы действия ТИС
Известны следующие классификации ТИС [1.1] :
по назначению: общепромышленные ТИС и ТИС для исследований
и испытаний;
по линии связи: ТИС с проводными и беспроводными линиями связи;
по конфигурации каналов: ТИС с разомкнутыми и замкнутыми КС;
по виду сигналов: ТИС с аналоговыми и цифровыми сигналами.
Следует отметить, что промышленные ТИС создаются в составе ТИИС,
поэтому трудно выделить состав и особенности первых. Многие функции
ТИС обычно выполняются элементами ТИИС и в реализации функций
телеизмерения участвуют многие элементы последних.
В целом можно выделить ряд основных требований, предъявляемых
к ТИС. В первую очередь к ним относится класс точности, устанавливае-
мый из ряда: 0,25; 0,4; 0,5; 1,0; 1,6; 4,0.
Дополнительная погрешность не должна превышать основной, соот-
ветствующей классу точности, при изменении напряжения питания на
+ 10и — 15% от номинального напряжения и частот питания в пределах
49 — 51 Гц. Отношение уровня амплитуды к эффективному значению
напряжения помех в рабочей полосе частот устройства для аналоговых
сигналов постоянного тока должно быть не менее 10; внешнее магнит-
ное поле напряженностью до 400 А/м не должно ухудшить основные ха-
рактеристики устройства.
Телеизмерительная ИС также характеризуется дополнительной по-
грешностью от изменения температуры окружающей среды в соответ-
ствии с ГОСТом и конкретными требованиям к устройству. Так, допол-
нительная погрешность ТИС не должна превышать + 1,5 В для диапазона
температур — 50° + 50 °C, где В — класс точности.
Аналоговые ТИС характеризуются также такими показателями, как
332
время установления, предельная частота и частота среза. Для различных
групп ТИС время установления может составлять до 1, до 4 и более 4 с.
Динамические характеристики ТИС могут быть проанализированы
с помощью дифференциальных уравнений, описывающих ее состояние.
В цифровых ТИС динамические характеристики не нормируются.
Важная характеристика ТИС — помехоустойчивость. Погрешность,
появляющаяся при наличии помехи, является сложной функцией вида
и характера модуляции и вида КС в системе. Остальные виды характерис-
тик ТИС не отличаются от аналогичных для ИИС.
В ТИС с амплитудно-модулированными сигналами, как правило,
используется двухпроводная линия связи. При этом к разновидностям
таких ТИС относят системы некомпенсационные и компенсационные,
токовые и напряжения. Не останавливаясь подробно на всех разновиднос-
тях этих систем, опишем структуры компенсационных токовых ИИС,
как наиболее точных и использующих статическое или астатическое регу-
лирование. Принципы построения таких структурных устройств постоян-
ного тока рассмотрены в § 2.3.
Отметим лишь, что такие ТИС находят применение при удаленности
объекта измерения на расстояние до нескольких десятков километров.
Частотные ТИС и ТИС с время-импульсными сигналами строятся в
соответствии со структурными схемами рис. 23.6.
Частотные ТИС могут быть рассчитаны на ЧМ-сигналы (рис. 23.6, а)
и в ЧИМсигналы. После преобразователя напряжение — частота ПНЧ в
КС поступает частотный сигнал. Далее он поступает на вход преобразо-
вателя частота—напряжение или частота—ток, затем — на указывающий
прибор, либо после преобразователя частота—код ПЧК поступает на циф-
ровой индикатор.
Частотные ТИС характеризуются коэффициентом изменения частоты
kf шириной полосы частот Д/=/тах -/„in и девиацией час-
J Ч1О.Л. 111111 111 ил 111111
Рис. 23.6. Частотные ТИС:
а - система с ЧМ-сигналами; б — система с интервально-импульсными сигна-
лами (ПНЧ — преобразователь напряжения в частоту; КС — канал связи; ПЧН —
преобразователь частоты в напряжение; ПЧК - преобразователь частоты в
код; ПНВИ — преобразователь напряжения во временной интервал; ПВИН -
преобразователь временного интервала в напряжение; ПВК - преобразова-
тель времени в код)
333
тоты е, связанной с к? — (2 + е)/(2 — е). По рекомендациям [1.1] еле- “
дует выбирать к - = 1 $. *,
Телеизмерительные ИС с ЧИМ-сигналами также строятся с широтно
(длина импульса) и интервально-импульсными сигналами (рис. 23.6, 6).
Длительность интервала t после преобразователя ’’напряжение—время”
(ПНВ) пропорциональна измеряемой величине х:
— ^tnin + l^tnax — ^min^/^max Xmin^ ’
при этом сигнал с ВИМ может передаваться с периодом fmax-
После КС сигнал проходит преобразователь ’’время-напряжение”
ПВИН и затем — на указывающий прибор. Сигнал с КС может также по-
ступить на ПВК.
В ТИС с КИМ измерительная процедура получения и передачи инфор-
мации в КС осуществляется на передающем конце. Передача кодовых
комбинаций осуществляется поразрядно, начиная со старшего разряда.
Параллельная передача информации со всех разрядов требует наличия и
одновременной работы соответствующего числа КС.
В настоящем учебном пособии рассмотрены лишь простейшие струк-
туры ТИИС. Подробнее о них см. [1.1,2.13] .
§ 23.6. Краткий обзор и характеристики промышленных
телеизмерительных информационных систем
В СССР выпускается большое число ТИИС применительно к различ-
ным отраслям народного хозяйства. Промышленные ТИИС конструк-
тивно проектируются из функциональных блоков и узлов ГСП. Для на-
глядности основные характеристики промышленных ТИИС приведены
в табл. 23.2. В ТИИС, указанных в табл. 23.2, используется временное раз-
деление сигналов, передаваемых в виде кодовых комбинаций; ТИС —
кодоимпульсные, кроме ТМ-320. Передача информации в некоторых ТИИС,
указанных в таблице, осуществляется спорадически, что обеспечивает
лучшее использование канала, но усложняет структуру системы.
Остановимся на промышленно освоенной современной ТИИС и об-
работки информации — комплексе ”ТМ-620-микро” (рис. 23.7). Состоит
из устройства пункта управления ПУ и различных модификаций устройств
контролируемого пункта КП.
Модификации КП следующие:
КПк осуществляет сбор и передачу необходимой информации на ПУ,
а также управляет работой рассредоточенных объектов;
КПа осуществляет сбор текущих значений параметров телеизмерения
ТИ, телеметрической информации о диаграмме состояния насоса ТД и
выдачу результатов на устройство отображения диагностической инфор-
мации УОДИ на ПУ;
КП служит для сбора интегральных значений измерительной инфор-
мации ТИ, телесигнализации ТС аварийного состояния и телеуправления
ТУ объекта контроля.
334
Основное назначение ПУ — подготовка и передача команд на КП, авто-
матизированный сбор информации сЛТ/для АСУ ТП, обработка и регист-
рация принятой информации для передачи на верхний уровень управления.
Комплекс предназначен для решения задач АСУ ТП рассредоточен-
ными объектами в нефтяной промышленности и задач АСУП на верхнем
уровне двухуровневых систем.
В реальном масштабе времени ПУ обеспечивает реализацию оператив-
ных функций сбора телемеханической информации с КП в автоматичес-
ком и ручном режимах; на КП также обеспечивается возможность выпол-
нения неоперативных функций АСУ. Аппаратура ПУ, представляющая
собой стойку с размещенными в ней микроЭВМ и дисководом, включа-
ет также стол с дисплеем и АЦПУ настольного типа. В качестве микроЭВМ
используется комплекс 15ВУМС-28-О25, включающий в себя централь-
ный процессор, устройство последовательного обмена и обеспечивающий
последовательность подключения к микроЭВМ дисплея и других уст-г
ройств. Кроме того, ПУ содержит и вторую микроЭВМ типа ’’Электроника
60М” (комплекс №1), которая осуществляет координацию работ всех
узлов, вВод информации с клавиатуры дисплея для формирования управ-
ляемых команд в ручном режиме, а также обеспечивает вывод необходи-
мой информации на экран дисплея и на АЦПУ (рис. 23.7). В памяти этой
микроЭВМ в течение восьми часов хранится информация, полученная
от КП.
МикроЭВМ 158УМС (комплекс № 2) служит для формирования и
хранения массивов телемеханической информации, предварительной об-
работки информации, вывода различной информации на печать и на эк-
ран дисплея, выполнения отдельных задач АСУТП, обеспечения связи
с УОДИ.
Обмен информацией между обеими микроЭВМ осуществляется с
помощью соответствующих программных модулей.
Программируемые КП также разработаны на базе микроЭВМ ’’Элек-
троника 60М”. Таким образом, описываемая аппаратура построена по
принципу многомашинного комплекса с использованием микропроцес-
сорной техники, а также обеспечивает совместную работу с комплексами
АСВТ, СМ-ЭВМ и ЕС-ЭВМ.
Основные возможности комплекса ”ТМ-620-микро”:
объединение рассредоточенных объектов в единую систему;
подключение различных типов ПИП автономных устройств управле-
ния, аппаратуры местной автоматики и др.;
сбор, обработка и передача различного рода оперативно-технологи-
ческой и производственностатистической информации, а также реализа-
ция функций управления в реальном масштабе времени;
аппаратное и программное обеспечение задач оптимального управ-
ления ТП и поддержание заданных режимов на технологических объектах;
способность гибкого изменения структуры аппаратуры с целью вы-
полнения иных функций для различных технологических процессов без
дополнительных затрат.
336
CM
co
(N
О >.
Ж «
2
I
10
X
s
X
a
s
I
5
3
i
I-
§
Ф
2
s
e;
3
2
2
&
р. Е
g *
§
к
X
о
о
X
в
н
ж
о
&
S
§
«$
«
о
X
<и
Ж
§
я
сЗ
&
о
Ж
В автоматическом режиме опроса ТИИС ”ТМ-620-микро” обеспечива-
ет реализацию следующих функций:
телеизмерения (ТИ) интегральных значений параметров;
ТИ текущих значений технологических параметров;
телесигнализацию аварийного состояния;
телеметрический контроль состояния работы (динамометрирование) $
глубинного нефтяного насоса.
При этом цифропечать и индикация информации на дисплее при теле*'
измерениях интегральных параметров осуществляются четырехразряд*
ными десятичными символами, а при телеизмерениях текущих значений -р
трехразрядными десятичными символами. Структура линий связи древо-
видная и радиальная. Тип канала связи — двухпроводный кабель (выде-
ленный или специально проложенный), радиоканал (УКВ радиоканал
с одной или двумя несущими частотами), стандартный телефонный канал
(при использовании модемов). При использовании проводной линии свя-
зи число направлений — до 15; при использовании модемов также до 15,
одно направление из этого числа выделяется для связи с верхним уров-
нем иерархии управления.
Между КП и ПУ допускается максимальная длина линии связи не
более 60 км (для выделенных физических линий связи), при радиокана-
ле протяженностью не более 30 км. Число подключаемых КП на одной
линии — не более 15 при длине — не более 30 км и не более шести при
длине линии — до 60 км. При радиоканале число КП может достигать
225. Скорость передачи информации по каналам связи 12, 5, 25, 50 бит/с,
а при использовании стандартного модема — 600,1200 бит/с.
В табл. 23.3 приведено время передачи информации для различных
режимов работы ТИИС.
Время передачи различных видов информации в ТИИС
Таблица 23.3
Вид информации Время телепередачи при скорости передачи импульсов, с
12,5 бит/с 125 бит/с 150 бит/с 1600 бит/с 1120 бит/с
ТС 8 4 2 0,166 0,081
ТИ (текущих) 10 5 2,5 0,208 0,104
ТИ (интеграль-
пых) 14 7 3,5 0,291 0,145
ТУ 6 3 1,5 0,125 0,062
Основные технические характеристики комплекса ”ТМ-620-микро”
следующие:
предел допустимой основной приведенной погрешности канала ТИ
составляет ± 0,25 %;
338
дополнительная приведенная погрешность ТИ при изменении темпе-
ратуры среды на каждые 10 °C- не превышает 0,5 предела основной по-
грешности;
при отношении амплитуды сигнала к эффективному значению шума
более 7 (при вероятности искажения элементарного сигнала менее 10-4)
вероятность трансформации отсчета кодового телеизмерения составляет
10"7;
средняя наработка до отказа одного канала не менее 10 000 ч;
среднее время восстановления работоспособности после отказа не
более 2 ч;
комплекс выполняет заданные функции при напряжении питания
220 -15 % В>
потребляемая мощность не более 5400 В-А.
Состав ТИИС ”ТМ-620-микро” приведен в табл. 23.4.
Состав ТИИС "ТМ-620-микро"
Таблица 23.4
Наименование узлов Количество Примечание
Пункт управления ПУ 1 Различные модификации по заказу
Устройство отображения дина- мометрической информации Устройство КП (по описанным выше разновидностям) Устройство переносное диагнос- тирующее для микропроцессор- ных телемеханических комп- лексов 1 По заказу Количество устройств КП и их моди- фикации по заказу
Вопросы для самоконтроля
1. Укажите назначение и основные элементы структуры ТИИС.
2. Что такое канал связи? Какие информационные характеристики канала связи
вы знаете?
3. Какие виды, параметры характеристик линии связи вы знаете?
4. Укажите назначение аппаратуры передачи данных в АСУ. Опишите структуру
построения аппаратуры.
5. Каковы основные характеристики ТИИС?
6. Каковы особенности структуры ТИИС ”ТМ-620-микро”?
Г Л А В A 24. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ (ИВК)
§ 24.1. Назначение и основные функции ИВК
Сложность задач контроля, автоматизации эксперимента, обработки
информации и управления привела к появлению новой разновидности
средств измерения — измерительно-вычислительных комплексов (ИВК).
Семейство ИВК — развивающийся ряд комплексов, ориентированных
на автоматизацию технологических процессов производства, эксперимен-
тальных установок, приборных стендов и вычислительных средств. Изме-
рительно-вычислительные комплексы создаются на базе серийно выпус-
каемых вычислительных комплексов (в основном серии СМ ЭВМ) и про-
граммно-управляемых устройств связи с объектом (аналоговых и дис-
кретных). В последнее время широкое развитие получили ИВК, выпол-
ненные на базе микропроцессоров.
В соответствии с ГОСТ 26.203—81 ИВК представляет собой автомати-
зированное средство измерения электрических величин, на основе кото-
рого возможно создание ИИС путем присоединения ко входу измеритель-
ных сигналов датчиков измеряемых величин с унифицированным элект-
рическим выходным сигналом и генерация на основе программных ком-
понентов ИВК программ обработки информации и управления эксперимен-
том, ориентированных на решение конкретных задач. Комплексы предназ-
начены в основном для построения на их основе следующих систем:
АСУТП, систем автоматизации испытаний и научных исследований (САНИ)
изделий и объектов промышленности; систем автоматизированной провер-
ки средств измерений; автоматизированных ИИС.
В указанных системах на ИВК возлагаются следующие функции:
измерение параметров производственного процесса или эксперименталь-
ной установки; регистрация информации в реальном масштабе времени,
хранение и последующая ее обработка согласно заданным программам
как в процессе эксперимента (испытаний), так и после его окончания;
управление процессом или экспериментальной установкой по результатам
обработки информации; передача информации для сложной обработки
и накопления в ЭВМ верхнего уровня; обеспечение работы эксперимента
с символьной и графической информацией в интерактивном режиме с
ЭВМ [2.23] .
Для реализации этих функций ИВК осуществляет следующие опе-
рации: восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов
от первичных преобразователей или от объекта измерений; управление
средствами измерений; выработку электрических сигналов для воздей-
ствия на объект исследования; оценку погрешности измерений и пред-
ставление ее в установленной форме.
Характерными признаками ИВК являются: блочно-модульная агре-
гатная структура построения; наличие в их составе ЭВМ; программное
управление от ЭВМ техническими средствами, входящими в ИВК; ис-
пользование типовых интерфейсов для обеспечения взаимодействия между
входящими в ИВК устройствами.
340
В ИВК (в зависимости от используемой ЭВМ, структуры комплекса
и решаемых с его помощью задач) могут использоваться различные ма-
шинные, системные, приборные и другие интерфейсы, а также согласован-
ные системы интерфейсов. Наиболее перспективными в настоящее время
для ИВК являются интерфейсы КАМАК и цифровой интерфейс для про-
граммируемых контрольно-измерительных приборов, разработанный фир-
мой ”Хьюлетт Паккард” и принятый в 1976 г. Международной электро-
технической комиссией (МЭК) в качестве международного стандарта.
По назначению ИВК подразделяют на типовые широкого назначения,
проблемно-ориентированные и специализированные. Типовые ИВК служат
для решения широкого круга задач автоматизации исследований и испы-
таний независимо от области использования. Проблемно-ориентирован-
ные ИВК служат для решения широко распространенной, но специфичной
задачи автоматизации измерений, исследований или испытаний посредством
специально разрабатываемых для этих комплексов агрегатных средств
и проблемно-ориентированного материального обеспечения (например,
определенного набора технических средств сопряжения с объектом и
пакетов прикладных программ).
Специализированные ИВК применяются для решения уникальных
задач автоматизации измерений, испытаний или исследований, для кото-
рых применение типовых и проблемных ИВК экономически нецелесооб-
разно. При этом в случае отсутствия необходимых серийных агрегатных
средств измерений и автоматизации (СИА), в состав специализированных
ИВК могут быть включены специально разработанные внесистемные СИА
и средства ВТ.
В состав ИВК входят технические и программные компоненты. К
техническим компонентам относятся средства вычислительной техники,
средства измерения электрических величин, времязадающие средства,
средства вывода управляющих электрических сигналов, средства ввода-
вывода цифровых и аналоговых сигналов, блоки электрического сопря-
жения измерительных компонентов между собой или измерительных ком-
понентов с вычислительными компонентами, коммутационные устрой-
ства, расширители интерфейса, унифицированные типовые конструк-
тивные элементы, источники питания и другие вспомогательные узлы.
Системное программное обеспечение ИВК — совокупность програм-
много обеспечения ЭВМ, используемой в ИВК, и дополнительных програм-
мных средств, дающих возможность работы в диалоговом режиме с ИВК,
а при необходимости - в режиме обмена измерительной информацией
с измерительными компонентами и управления ими.
Прикладные программы ИВК обеспечивают обработку измеритель-
ной информации, проверку работоспособности компонентов ИВК в от-
дельности и комплекса в целом, метрологическое обслуживание ИВК
(определение метрологических характеристик и поверку измеритель-
ных каналов ИВК, а также его метрологическую аттестацию). Модули
прикладного программного обеспечения функционируют в соответствии
с назначением и задачами исследований, проводимых с помощью ИВК.
341
Объединение в ИВК современных средств измерительной и вычисли-
тельной техники, стандартных интерфейсов дает возможность изменять
по мере надобности их состав, применять алгоритмы, позволяющие реа-
лизовать сложные задачи измерения, производить коррекцию результата
измерения, выполнять поверочные операции и др.
§ 24.2. Обобщенная структура ИВК
В составе ИВК, как было показано выше, используется свободно
программируемая ЭВМ, что позволяет обеспечить автоматизированную
обработку измерительной инфопмагии, изменение программным путем
алгоритмов обработки инфор дии, гибкую перестройку самой струк-
туры системы и взаимодействие с объектом исследования в реальном
масштабе времени.
Из рис. 24.1 видно, что информация, характеризующая количествен-
ное значение параметров объекта, посредством датчиков, блоков преоб-
разования (измерения) сигналов, представляется оператору или ЭВМ
в виде, удобном для использования. Измерительная информация сооб-
щается оператору, например, в числовом виде на цифровых табло и вво-
дится в ЭВМ для вычисления различных характеристик. Путем воздей-
стия на объект имеется возможность получения различных параметров,
характеризующих состояние объекта исследования.
Рассмотренное каскадное соединение ЭВМ с ИИС не реализует в пол-
ном объеме те преимущества ИВК, о которых говорилось выше. Более
полно возможности ИВК реализуются при включении ЭВМ в замкнутый
контур (рис. 24.2). В этом случае вся система объединена программой
функционирования и обработки измерительной информации, включаю-
Рис. 24.1. Структура ИИС с ЭВМ
342
Рис. 24.2. Обобщенная структура ИВК
щей в себя как воздействие на объект исследования, так и алгоритм вза-
имодействия с оператором. Эта схема является обобщенной структурой,
по которой создается архитектура большинства современных ИВК. За
основу при построении ИВК принимаются современные средства цифро-
вой измерительной техники и малые цифровые ЭВМ. В качестве послед-
них широкое применение нашли ЭВМ серии СМ.
Рис. 24.3. Структура ИВК с интерфейсом КАМАК:
П - процессор; УВВПЛ — устройство ввода-вывода перфоленточное; УВВМД —
устройство ввода-вывода на магнитных дисках; УВВМЛ - устройство ввода-
вывода на магнитной ленте; АЦВ — алфавитно-цифровой видеотерминал;
МУШД - модуль управления шаговым двигателем; РгЗ — регистр запроса;
^гвв/выв “ РегистР ввода-вывода; Мп - мультиплексор; Сч - счетчик; С/Т -
синхронизатор-таймер; РУР - регистр управления реле; МУЦВ - модуль уп-
равления цифровым вольтметром; СМ — сервисный модуль; КК — контрол-
лер крейта
343
Структуру ИВК во многом определяют используемые интерфейсы.
Кроме информационной и конструктивной совместимости они должны
обеспечивать и программную совместимость. Как было отмечено, одним
из наиболее перспективных в настоящее время для ИВК является интер-
фейс КАМАК.
Обобщенная структура ИВК, спроектированная на базе технических
средств СМ ЭВМ, КАМАК и АСЭТ, представлена на рис. 24.3. В состав
любого ИВК, построенного по этой структуре, входят базовый комплект
СМ ЭВМ, крейт КАМАК с набором функциональных и сервисных моду-
лей, кроме того, могут подключаться цифровой вольтметр и планшет-
ный графопостроитель. Как правило, базовый комплект СМ ЭВМ содер-
жит процессор П, ОЗУ, перфоленточное устройство ввода-вывода (УВВПЛ),
устройства внешней памяти на магнитных дисках (УВПМД) и магнитной
ленте (УВПМЛ), алфавитно-цифровой видеотерминал (АЦВ) и алфавит-
но-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Информация с объекта
исследования поступает на крейт КАМАК, который выполняет роль устрой-
ства двусторонней связи с объектом.
Крейт КАМАК состоит из унифицированных функциональных моду-
лей (рис. 24.3).
Блок регистра запросов организовывает режим прерывания от сиг-
налов внешних устройств. Блок регистров ввода-вывода обеспечивает
обмен кодовой информацией между ЭВМ и внешними устройствами.
Посредством мультиплексора МП осуществляется коммутирование анало-
говых сигналов, поступающих в систему. Подсчет числа импульсов, по-
ступающих от внешних устройств, с дальнейшей передачей этого числа
в цифровом коде на ЭВМ осуществляется с помощью счетчика Сч им-
пульсов. Сицхронизатор-таймер осуществляет задачу импульсов синхро-
низации и временных интервалов.
Выдача управляющих воздействий на внешние устройства осущест-
вляется посредством регистра управления реле, модуля управления циф-
ровым вольтметром РУР МУЦВ и модуля управления шаговым двигате-
лем МУЩЦ. В состав сервисных модулей входят индикатор магистрали,
ручной контроллер, регистры и генераторы слов и др. Сопряжение крей-
та с ЭВМ в программном режиме осуществляет контроллер крейта.
В измерительной технике широко применяется структура ИВК с ис-
пользованием интерфейса типа ’’Общая шина” (рис. 24.4). Стандартные
функциональные блоки из номенклатуры АСЭТ объединяются в измери-
тельную стойку и подсоединяются к магистрали ’’Общая шина” с помощью
интерфейсных устройств ИУ. Существенной особенностью комплексов
на базе АСЭТ является то обстоятельство, что все измерительные сред-
ства, а следовательно, и все возможные структуры соединения блоков
имеют нормированные метрологические характеристики. Это позволяет
обеспечивать гарантированные метрологические характеристики в различ-
ных структурах комплексов и контролировать индивидуальные метро-
логические характеристики каждого отдельного канала для любой реа-
лизуемой в комплексе структуры.
344
Вазовый комплект СМ ЭВМ
От объекта исследования
Рис. 24.4. Структура ИВК с интерфейсом ’’общая шина”:
РОШ - расширитель магистрали ’’общая шина”; ИУ -
интерфейсное устройство
§ 24.3. Основные структуры и характеристики промышленных ИВК
Возможность типизации решения многих задач измерительной техни-
ки путем использования, во-первых, электрических измерительных сиг-
налов и типовых (агрегатированных, совместимых) средств электроиз-
мерительной техники и, во-вторых, программируемых средств вычисли-
тельной техники позволила обосновать и организовать промышленный
выпуск ИВК. Электроприборостроительная промышленность нашей стра-
ны выпускает и разрабатывает более 50 типов ИВК. В зависимости от воз-
можностей решения задач измерения и обработки информации промыш-
ленные ИВК можно разделить на простые и сложные, а также на системы.
Простые ИВК (ИВК-1, ИВК-3) решают задачи небольшой сложности,
характеризуются достаточно высокой производительностью используемых
мини-ЭВМ.
Сложные ИВК (ИВК-2, ИВК-4) строятся на базе малых ЭВМ высокой
производительности, способны решать сложные задачи измерения и об-
работки информации.
Системы ИВК (многопроцессорные и многомашинные) — совокуп-
345
Рис. 24.5. Структурная схема ИВК-1
ность ИВК, выбранных и соединенных соответствующим образом для
решения комплексов задач, не реализуемых сложными ИВК (например,
в рамках уникальных многоуровневых систем автоматизации).
Основные технические характеристики некоторых современных про-
мышленных ИВК приведены в табл. 24.1. Промышленные ИВК-1, ИВК-2 —
это комплексы широкого применения, предназначенные для создания
на его основе САНИ и АСУТП. Комплексы построены на базе средств
СМ ЭВМ (СМ 1301) и КАМАК. Применяются в рзаличных областях про-
изводства, науки и техники: физике, химии, медицине, приборостроении
и др.
Управляющая вычислительная часть ИВК-1 и ИВК-2 строится на основе
процессоров СМ 2103 и СМ 2104 соответственно.
Базовый состав средств вычислительной техники ИВК-1 (рис. 24.5)
включает в себя процессор СМ 2103, оперативную память емкостью 32
Келов, комбинированное устройство ввода-вывода на перфоленте, а так-
же устройство внешней памяти на магнитных дисках емкостью 4,8 Мбайт
на базе накопителя ИЗОТ 1370, алфавитно-цифровой терминал оператора
на базе дисплея ВТА-2000-2, знакосинтезирующие устройства широкой
печати DZM-180.
Базовый состав средств вычислительной техники ИВК-2 отличается
более мощным процессором СМ 2104, увеличенной емкостью оперативной
(до 64 Келов) и внешней памяти на магнитных дисках (до 9,6 Кбайт),
устройством внешней памяти на магнитных лентах ИЗОТ 5003, малогаба-
ритным быстродействующим устройством широкой печати СМ 6315.
В качестве средств КАМАК в ИВК-1 и ИВК-2 используется по два
крейта с крейт-контроллерами, архитектура которых позволяет в комп-
лексе иметь до четырех параллельно подключенных крейтов. В комплект
модулей каждого крейта входят следующие функциональные модули:
9-разрядный аналого-цифровой преобразователь с максимальным
временем преобразования 12 мкс, позволяющий измерять как импульсы
длительностью не менее 1 мкс, так и переменное напряжение с максималь-
ной частотой дискретизации 50 кГц;
коммутатор аналоговых сигналов на 32 ыхода;
346
I
I
ИВК-1 CM 1301.05 32 4,8 - - ОШ, 180 До 64 ПЛОС СМ,
КАМАК знаков/с ПЛОС РВ,
ДОС СМ,
g
и
о
СУ?
&
ФОБОС ОСРВ ОС РВ На нижнем уровне не
4,8 - 180 знаков/с 9,6 - 20 ” 500 строк/мин 9,6 256 20 ОШ. ИРПР, 500 ИРПС строк/мин
СМ 1301.05 (СМ 1401.02) СМ 1403 СМ 1420.01 1
Ф 2 g 1 &S <_> о е < Рч комплекса ИВК-20; воз- О я * о S м О я расширение я о х ф я я о X о ф а Я о ч Я я и о Uh
т-Ч
1 сц У з S о 1 1 “2
1 со
СМ 1300.1701
ИВК-7 СМ 1301.05 32 4,8 - - ОШ 500 До 298 ФОБОС
стр ок/мин
&
м
S
я я я V Я О 5 ф
ИВК У х Й 5 w g о о g о Пн Я Оч S я >, я 57
Продолжение табл. 24.1
Тип ИВК Применяемый тип УВК Объем ОЗУ, Келов Объем внешней памяти Используе- мые интер- фейсы Скорость печати Число коммутиру- Программ- Примечания
НМД МБ НГМД кБ НМЛ МБ емых аналоговых сигналов ное обес- печение
ИВК-8 СМ 1301.05 32 4,8 - - ОШ 500 строк/мин До 100 ФОБОС -
ИВК-9 СМ 1420.02 128 (расши- рение до 1920) 9,6 256 20 ОШ, ирпр ИРПС, КАМАК То же 32 ОСРВ -
ИВК-10 СМ 1420.02 128 (расши- рение до 1920) 9,6 256 20 То же Тракт измерения постоянного нап- ряжения до 256; тракт изменения постоянного нап- ряжения низкого уровня - до 128; тракт измерения постоянного нап- ряжения - до 128; тракт измерения напряжения с вы- боркой и запоми- нанием - до 64; тракт измерения переменного нап- ряжения - до 8 ОСРВ Имеется три модифика- ции ИВК-10, ИВК-10-3; различные по структу- ре и назна- чению
ИВК-12-Й верхний уровень СМ 1403.05 64 9,6 20 ОШ, ИРПС Тракт измерения напряжения низ- кого уровня -100; тракт измерения ОСРВ Имеется две модифика- ции: ИВК- 12/1 с дву-
Продолжение табл. 24.1
Тип ИВК Применяемый тип УВК Объем ОЗУ, Келов Объем внешней памяти Используе- мые интер- фейсы Скорость печати Число коммутиру- Программ- Примечания
емых аналоговых сигналов ное обес- печение
НМД МБ НГМД кБ НМЛ МБ
напряжения сред- него уровня — 90; тракт измерения сигналов от тер- м осопротивления - 100; мя термина- лшыми ком- плексами нижнего уро- вня;
Нижний уровень "Электроника 60М” 32 ИРПС, ИРПР тракт измерения частотных сигна- лов - 100; быст- родействующий тракт измерения 4 ФОБОС ИВК-12/Т; ИВК-12/2 с четырьмя ИВК-12/Т
ИВК-14 СМ 1300.1701. 01 32 4,8 ОШ, ИРПР, ИРПС, коп, КАМАК 180 знаков/с 32 РАФОС Имеются две модифика- ции ИВК-14- 1 и ИВК-14- 2, различные по структу- ре и назначе- нию
ИВК-20 СМ 1300. 1701.02 32 4,8 - - То же То же 16 РАФОС
ИВК Гамма СМ 1401.02 32 4,8 — — ОШ, интер- фейс гам- ма-камеры — ФОБОС Возможно подключе- ние двух гамма-ка- мер
четыре входных 24-разрядных регистра;
регистр ввода инициативных сигналов на 24 входа;
четыре выходных 24-разрядных регистра;
цифроаналоговый десятиразрядный преобразователь на два выхода
с максимальным временем преобразования 10 мкс;
16-разрядный счетчик импульсов на четыре входа, позволяющий про-
изводить счет импульсов с максимальной частотой 15 МГц при их мини-
мальной ширине 40 нс;
генератор импульсов частотой от 1 Гц до 1 МГц, способный выполнять
также роль декадного делителя частот;
модуль связи с телетайпом.
В состав крейта включен также набор сервисных и макетных модулей.
Конструктивно ИВК-1 оформлен в виде двух, а ИВК-2 в виде трех
стандартых стоек СМ ЭВМ со встроенными в одну из стоек двумя крей-
тами КАМАК и отдельно расположенного терминала оператора и устрой-
ства широкой печати.
Комплекс ИВК-3 проблемно ориентирован на автоматизацию экспе-
риментов, проводимых с использованием оптических спектральных при-
боров в различных областях науки (физике, химии, биологии, медицине,
металлургии и др.). Состав средств вычислительной техники ИВК-3 по
сравнению с ИВК-1 дополнен двухкоординатным планшетным графопо-
строителем с размером рабочего поля 200x300 мм (рис. 24.6). В качест-
ве средств КАМАК используется крейт, включающий в себя контроллер
и следующий набор функциональных модулей:
аналого-цифровой 14-разрядный преобразователь с временем преоб-
разования 2 мс;
Рис. 24.6. Структурная схема ИВК-3
350
аналого-цифровой 9-разрядный преобразователь с временем преоб-
разования 12 мкс;
релейный коммутатор на 32 аналоговых сигнала;
два двухканальных цифроаналоговых 10-разрядных преобразовате-
ля с временем преобразования 10 мкс;
два модуля управления шаговым двигателем;
два 24-разрядных счетчика импульсов с максимальной частотой сче-
та 20 МГц;
четыре 24-разрядных входных регистра;
четыре 24-разрядных выходных регистра;
• 24-разрядный регистр ввода инициативных сигналов;
синхронизатор-таймер;
модуль управления цифровым ампер-вольтметром.
Кроме того, имеется набор сервисных и макетных модулей КАМАК.
В состав ИВК-3 входит также цифровой ампер-вольтметр с переклю-
чением диапазона измерений, имеющий частоту преобразования 5 Гц и
шкалу представления измеряемых значений (шесть десятичных разрядов).
Комплекс ИВК-3 конструктивно оформлен в виде двух стандартных
стоек СМ ЭВМ со встроенным крейтом КАМАК и автономно размещаемых
устройств печати, алфавитно-цифрового дисплея, графопостроителя и
цифрового ампер-вольтметра.
Комплекс ИВК-4 предназначен для автоматизации сложных лаборатор-
ных экспериментов, требующих ввода-вывода графической информации.
Базовый состав средств вычислительной техники, входящий в ИВК-4,
по сравнению с ИВК-2 дополнительно включает графический дисплей
(ЭПГ СМ), планшетно-рулонный графопостроитель, переключатель общей
шины (СМ 4501) (рис. 24.7). Переключатель шины представляет собой
устройство межсистемной связи, позволяющее строить многомашинные
комплексы с общими, разделяемыми по времени между двумя процес-
сорами любыми внешними устройствами (включая устройства внешней
памяти), или осуществлять горячее резервирование устройств (включая
процессор) в многомашинных комплексах.
Средства КАМАК, входящие в ИВК4, включают в себя три крейта,
два из которых содержат набор модулей, как и ИВК-2 и ИВК-3, а третий
снабжен крейт-контроллером и макетными платами, предоставляющими
пользователю возможность разрабатывать свои специфические модули
КАМАК, не выпускаемые промышленностью.
Для калибровки и поверки измерительных модулей в состав ИВК-4
входит калибратор напряжений Ф7046 и цифровой вольтметр Щ1516.
Измерительно-вычислительный комплекс типа ИВК-20 является про-
блемно-ориентированным комплексом и предназначен для автомати-
зации научных исследований, проводимых общефизическими методами.
Комплекс ИВК-20 построен на базе микроЭВМ УВКСМП 1300.1701.02
и устройства связи с объектом (УСО), выполненных по стандарту системы
КАМАК. Наличие УСО по стандарту системы КАМАК обеспечивает: ввод-
вывод аналоговой и дискретной информации; ввод информации на графо-
Рис. 24.7. Структурная схема ИВК-4
построитель; управление шаговыми двигателями; релейный выход на
устройства управления.
Комплекс ИВК-20 имеет обширное общее программное обеспечение,
обладает возможностью видоизменения и наращивания периферийного
оборудования и программного обеспечения. Комплекс применяется са-
мостоятельно или является базой для построения многомашинных иерар-
хических измерительно-вычислительных систем. Комплекс может быть
использован в различных областях науки и техники (физике, химии, при-
боре-, машиностроении и др.).
Комплекс выполнен в конструктивах СМ ЭВМ второй очереди
и КАМАК, кроме графопостроителя, выполненного в приборном испол-
нении в конструктивах АСЭТ. Крейт КАМАК устанавливается на направ-
ляющих в стойку, входящую в состав УВК СМП 1300.1701.02.
Базовое программное обеспечение ИВК-20 включает в себя: опера-
ционную систему с разделением функций (РАФОС), тестовое обеспечение,
программные средства работы с модулями КАМАК, программные средства
по определению метрологических характеристик.
В состав УВК СМП 1300.1701.02 входят: процессор, ОЗУ, устройство
352
последовательной печати, накопитель информации на магнитном диске,
видеотерминальный аппарат, графический дисплей, контроллер ИПРС
(радиального последовательного интерфейса), контроллер ИРПР (ради-
ального параллельного интерфейса), контроллер приборного интерфейса.
Блоки системы КАМАК состоят из: крейта с источником питания и
вентиляционными панелями, контроллера крейта (КК), мультиплексора,
аналого-цифрового преобразователя Ф5286, аналого-цифрового преобра-
зователя АЦП14, цифроаналогового преобразователя 2ЦАШ0, счетчика
импульсов С62/10И, синхронизатора-таймера С/Т-1, модулей управления
шаговым двигателем МУШД, регистра управления реле РУР-1Р, универ-
сального регистра ФК-73, регистра запросов ФК-14, индикатора магистра-
ли, ручного регистра.
УВК СМП 1300.1701.02 предназначен для обработки и управления
обменом информации, хранения программ и данных, ввода-вывода ал-
фавитно-цифровой и графической информации. Крейт КАМАК вместе с
модулями выполняет роль устройства двусторонней связи с объектом.
Графопостроитель Н306 предназначен для регистрации графической ин-
формации.
Помимо основных интерфейсов (’’Общая шина” и КАМАК) в ИВК-
20 предусмотрены дополнительные: ИРПС и интерфейс программируе-
мых приборов.
Посредством модуля индикации обеспечивается визуальная инди-
кация состояния магистрали. Ручной регистр дает возможность засылки
в магистраль 24-разрядного слова, набираемого вручную. Через блок
регистра запросов на линии магистрали выдаются заявки на обслужи-
вание, поступающие от внешних устройств. Регистр управления реле обес-
печивает выходной ток на управление коммутирующими элементами
до 100 мА. Количество разрядов регистра 16.
Модуль управления шаговым двигателем управляет трех- и четырех-
фазными двигателями (ток в фазе 1,2 А).
Синхронизатор-таймер работает от внутреннего высокостабильного
кварцевого генератора (1 МГц), от внутреннего генератора (0,4 — 1 кГц)
и внешнего генератора (не более 1 МГц).
По характеристикам ИВК-20 относится к простым комплексам.
К этому же классу измерительно-вычислительных комплексов можно
отнести ИВК-9 и ИВК-14.
Комплекс ИВК-9 предназначен для автоматизации научных исследова-
ний в машиностроении, механике, металлургии, проблемно-ориентирован
на проведение экспериментов в области материаловедения и механичес-
ких испытаний. Комплекс построен на базе УВК СМ 1420.02.
Базовый состав средств вычислительной техники, входящий в ИВК-9:
процессор с ОЗУ на' 128 Кбайт СМ2420, устройство внешней памяти на
гибких магнитных дисках (УВП ГМД), устройство внешней памяти на
сменных магнитных дисках (УВП МД), устройство внешней памяти на
магнитных лентах (УВП МЛ), два устройства печати (УП) типа DARO-
1156, два алфавитно-цифровых видеотерминала (АЦВ) ВТА 2000-15 и
один АЦВ типа ВТА2000-30, контроллер ИРПС.
12- 1431. 353
В качестве средств КАМАК используется крейт КАМАК № 4, вклю-
чающий в себя следующий набор функциональных модулей:
контроллер крейта;
мультиплексор на 32 аналоговых сигнала;
14-разрядный аналого-цифровой преобразователь АЦП14 с частотой
преобразования не менее 600 Гц;
24-разрядный входной регистр;
24-разрядный выходной регистр;
двоично-десятичный счетчик с индикацией Сч6/10Н;
синхронизатор-таймер С/Т-1 с частотой синхроимпульсов 1 МГц;
регистр управления реле РУР-1 Р;
регистр запросов;
10-разрядный цифроаналоговый преобразователь 2ЦАП10 с частотой
преобразования не менее 50 кГц;
10 модулей тензопреобразователей (ТЦП);
4 модуля управления устройством цифровой индикацией МУФ 5147;
модуль управления вольтметром.
В состав крейта включен также набор сервисных и макетных модулей.
В состав ИВК-9 входят также цифровой вольтметр ЩЗОО, графопостро-
итель Н306, два устройства цифровой индикации УЦИ Ф5141/3 и Ф5147/4.
Аппаратура ИВК-14 -комплексширокого применения, предназначен
для автоматизации научных исследований с быстропротекающими про-
цессами и большим объемом регистрируемой информации с возможностью
вывода графических результатов. Модификация комплекса ИВК-14-2
позволяет также создавать автоматизированные стенды (установки)
для метрологической поверки измерительных приборов.
Комплекс ИВК-14-1 состоит из: микроЭВМ УВК СМ 1300.1701.01,
блоков системы КАМАК, графопостроителя Н306, блока управления
графопостроителя БУГ и устройства сбора данных УСД.
В состав УВК СМ 1300.1701.01 входят: микроЭВМ СМ 1300 с ОЗУ
на 32 Келов, накопитель на сменных магнитных дисках (НМД) СМ 5400
емкостью 4,8 Мбайт, контроллер НМД-КМД 6/12, контроллер ИРПС, два
контроллера ИРПР, контроллер канала общего пользования (КОП) для
измерительных устройств, алфавитно-цифровой видеотерминал (АЦВ)
СМ 7404, устройство печати СМ 6302.
Контроллеры ИРПР используются для подключения алфавитно-циф-
рового видеотерминала и устройства печати; контроллер ИРПС служит
для подключения блока управления графопостроителем. Контроллер
канала общего пользования для измерительных устройств с байт-последо-
вательным и бит-параллельным обменом предназначен для подклю-
чения выходящих на него программно-управляемых измерительных уст-
ройств.
В качестве средств КАМАК в ИВК-14-1 используются крейты КАМАК
№ 2 и КАМАК №3.
Крейт КАМАК № 2 по составу отличается от крейта КАМАК № 4 нали-
чием 9-разрядного аналого-цифрового преобразователя АЦП712 с часто-
354
той преобразования не менее 8 мГц, а также модулей управления шаго-
вым двигателем, вольтметра Щ1516, источника калиброванных напряжений
и коммутатора. Крейт № 3 снабжен крейт-контроллером и макетными
платами.
Блок управления графопостроителем (БУГ) производит преобразо-
вание цифровых данных в соответствующие им два напряжения постоян-
ного тока (каналы X и У), которые воздействуют на двухканальный
графопостроитель Н306. Блок обеспечивает построение гистограмм, гра-
фиков и зпюр.
Устройство сбора данных (УСД) предназначено для быстрого преоб-
разования аналоговых сигналов в цифровую форму и ввода в оперативную
память машины.
Цифровые эквиваленты мгновенных значений входного сигнала накап-
ливаются в последовательных ячейках буферной памяти БП. Количество
точек дикретизации входного сигнала по каждому каналу задается про-
граммно.
Модификация комплекса ИВК-14-2 структурно отличается от ИВК-
14-1 наличием коммутатора Ф7078, вольтметра Щ1516 и источника калиб-
рованных напряжений Ф7О46/7, а также отсутствием графопостроителя
и устройства сбора данных.
Помимо простых промышленностью выпускаются сложные ИВК,
в некоторых случаях многомашинные, построенные на базе микро-
ЭВМ высокой производительности, они имеют большой набор модулей
устройств связи с объектом, способны решать сложные с большим объе-
мом информации задачи измерения, обработки информации и управле-
ния экспериментом.
К сложным ИВК относятся комплексы ИВК-6, ИВК-10, ИВК-12, ИВК-
15.ИВК-Л70.
Комплекс ИВК-10 предназначен для использования в САНИ сложных
объектов, характеризующихся многопараметрической измерительной ин-
формацией. Комплекс имеет три модификации: ИВК-10/1 и ИВК-10/2
предназначены для построения территориально распределенных систем.
Здесь обмен данными между составными частями-крейтами и управляю-
щим вычислительным комплексом (УВК) — осуществляется с помощью
последовательной магистрали КАМАК; ИВК-10/3 предназначен для постро-
ения территориально сосредоточенных систем, где обмен данными между
составными частями—крейтами и УВК — осуществляется по машинному
интерфейсуУВК (ОШ).
Аппаратура ИВК-6—комплекс широкого применения с иерархической
двухуровневой структурой, предназначен для автоматизации территориаль-
но распределенных экспериментальных установок. На нижнем уровне при-
менены четыре комплекса ИВК-20, осуществлено удаление комплексов
нижнего от верхнего — до 500 м, при скорости обмена до 9600 бит/с. До-
пускается подключение до семи комплексов нижнего уровня, а также
расширение функциональных возможностей комплексов нижнего уров-
ня подключением дополнительных устройств, имеющих выход на при-
355
борный интерфейс КОП (до 2 % устройств). Связь между комплексами
верхнего и нижнего уровней осуществляется посредством контроллера
ИРПС.
Комплекс ИВК-12 предназначен для построения автоматизированных
систем научных исследований, автоматизированных ИИС, для испытаний
сложных промышленных изделий и создания АСУТП.
Комплекс ИВК-12 построен по принципу двухуровневой системы.
В качестве центральной (машины верхнего уровня) используется мини-
ЭВМ типа СМ 1403.05, в качестве периферийной — микроЭВМ ’’Электро-
ника 60М”.
Связь между центральной и периферийными ЭВМ осуществляется
через устройства межмашинной связи, которые состоят из двух устройств
передачи данных и коаксиальных линий связи и обеспечивают отнесение
периферийных ЭВМ от центральной на расстояние до 1 км.
Непосредственно к центральной ЭВМ подключается подсистема вво-
да быстропеременных процессов, программируемый таймер, устройство
управления планшетного графопостроителя Н306, измерительно-вычисли-
тельный комплекс Ф38 (анализатор), предназначенный для эксперимен-
тального определения статических характеристик случайных процессов.
Вся измерительная периферия нижнего уровня размещается в стой-
ках и подключается к блоку микроЭВМ, состоящему из микроЭВМ ’’Элек-
троника 60М” — 012 ’’Электроника 60М” — 007, через устройства сопря-
жения, сгруппированные в блоке П342. Здесь помимо устройств сопря-
жения измерительной периферии размещается блок ввода число-импульс-
ных сигналов. В блоке П341, как и в П342, связанном с блоком микро-
ЭВМ, скомпонованы блок ввода-вывода дискретных сигналов и блок
устройств приема инициативных сигналов, имеющих гальваническую
развязку.
Комплекс имеет две модификации: ИВК-12/1 — с двумя терминаль-
ными комплексами нижнего уровня ИВК-12/Т, ИВК-12/2 — с четырьмя
ИВК-12/Т.
Комплекс ИВК-15 — иерархический распределенный комплекс, при-
меняемый для автоматизации крупногабаритной экспериментальной уста-
новки с большим объемом информации и устройствами связи с объектом
различной архитектуры. Построен по принципу двухуровневой системы
на базе СМ4 и четырех терминальных станций с использованием микро-
ЭВМ ’’Электроника 60” (нижний уровень). Расстояние от СМ4—1 км. Про-
граммное обеспечение — ОС РВ.
Измерительно-вычислительный комплекс ИВК-12 построен на базе
УВК СМ 1403.05. Предназначен для создания на его основе систем програм-
много сбора, обработки и отображения измерительной информации, по-
ступающей от первичных преобразователей (термометрических, потенцио-
метрических, частотных и др.). Комплекс имеет двухуровневую структуру
управления и обработки. На первом уровне управления контроллер обес-
печивает программно-аппаратное управление процессом сбора и предвари-
тельной обработки информации. Организация внутрисистемной связи
356
обеспечивается по магистральному принципу с использованием интер-
фейсов ЭВМ ’’Электроника 60”, ’’Общая шина” УВК СМ4 и интерфейса
МЭК по ГОСТ 26.003—80.
Второй уровень управления реализуется системным контроллером
на базе УВК СМ4, который задает программу работы контроллера первой
ступени и производит накопление, обработку и вывод результатов испы-
таний. Программное обеспечение — РАФОС.
Отечественной промышленностью выпускаются ИВК, в которых из-
мерительные и преобразующие устройства, связывающие эксперименталь-
ное оборудование с ЭВМ, выполненные в стандарте АСЭТ: ИВК-7, ИВК-8
и ИВК ’Тамма”.
Комплексы ИВК-7 и ИВК-8 предназначены для коммутации, усиле-
ния, измерения и регистрации сигналов напряжения постоянного тока,
программного сбора, хранения и обработки информации, выдачи управля-
ющих воздействий и могут быть использованы в качестве основы для
построения систем автоматизации экспериментов в различных областях
науки и техники.
Комплексы обеспечивают следующие функциональные возможности:
первичную обработку результатов измерения;
получение результатов косвенных, совокупных и совместных изме-
рений, в том числе в реальном масштабе времени;
управление функционированием отдельных блоков в ходе эксперимен-
та, в том числе организацию запросов, очередей, установление приорите-
тов, диалоговый режим с оператором;
контроль работоспособности блоков и трактов комплекса, в том
числе его метрологических характеристик;
сервисную обработку получаемой информации (представление резуль-
татов в виде таблиц, графиков и т.п.);
хранение получаемой информации и создание файлов данных;
выработку управляющих воздействий на исследуемый объект (в
виде аналоговых и (или) дискретных сигналов).
Функциональные возможности реализуются с помощью программного
и алгоритмического обеспечения, поставляемого с комплексами.
Структурные схемы ИВК-7 и ИВК-8 представлены соответственно
на рис. 24.8 и 24.9.
Комплексы ИВК-7 и ИВК-8 строятся на базе УВК СМ-3, в состав кото-
рого входят процессор СМ2103, оперативное запоминающее устройство
емкостью 32 Келов, алфавитно-цифровой дисплей (АЦД), алфавитно-
цифровое устройство печати последовательного типа (АЦПУ), устрой-
ство внешней памяти на магнитном диске на базе накопителя ИЗОТ 1370
емкостью 4,8 Мбайт.
Все измерительные и периферийные устройства АСЭТ, входящие в
ИВК, объединяются единой системой сигналов и единым высокочастотным
быстродействующим магистральным каналом связи — стандартным ин-
терфейсом ’’Общая шина” (ОШ).
Сопряжение периферийных устройств (ПУ) с центральным' процес-
357
Сигналы с объекта
Рис. 24.8. Структурная схема ИВК-7
(УС — устройство сопряжения)
Рис. 24.9. Структурная схема ИВК-8
сором комплекса СМ-3 осуществляется с помощью устройств сопряжения
(УС). Конструктивно УС сгруппированы в отдельном блоке системном
интерфейсном блоке (БСИ). Каждое УС состоит из селекторной (одина-
ковой для всех ПУ, входящих в комплекс) и драйверной (различимой
для каждого ПУ) плат.
В селекторную плату с магистрали ОШ поступают сигналы управления,
адреса устройства и синхросигнал для дешифрации управляющей инфор-
мации, которая в драйверной плате используется для выработки сигналов
управления регистрами и периферийными устройствами.
Для связи БСИ с магистралью ОШ используется расширитель общей
шины (РОШ), который ретранслирует сигналы без инвертирования по
одно- и двунаправленным линиям с задержкой, не превышающей 350 нс.
Расширитель общей шины делит магистраль интерфейса на независи-
мые отрезки с одинаковыми возможностями, являясь нагрузкой на каж-
дую линию магистрали в одну стандартную единицу нагрузки (ед. н.) и
увеличивая нагрузочную способность магистрали на 19 ед.н., а длину кабе-
ля на 15 м. Принцип использования РОШ позволяет архитектурно неогра-
ниченно наращивать число ПУ комплекса. Комплекс ИВК-7 имеет уст-
ройство автономного управления (УАУ), предназначенное для провер-
ки функционирования в статическом режиме (без включения СМ-3) селек-
торных и драйверных плат.
В ИВК-7 могут быть реализованы следующие измерительные каналы
(структурные соединения блоков): усилитель—коммутатор—АЦП, ком-
мутатор—усилитель—коммутатор—АЦП, коммутатор—коммутатор—АЦП,
коммутатор—АЦП, АЦП—устройство обработки ЦАП.
Имеется методика определения индивидуальных метрологических
характеристик, которая на этапе приемосдаточных испытаний, а также
перед проведением ответственного эксперимента позволяет пользователю
определить истинные метрологические характеристики реализованных
измерительных каналов.
Количество коммутируемых каналов комплекса — 298, из них 100
каналов с диапазоном входных сигналов ± 100 мВ, один канал с диапазо-
ном входных сигналов ± 10 мВ, 197 каналов с диапазоном входных сиг-
налов ± 10 В.
Частота переключения измерительных каналов ИВК-7 при соответ-
ствующей организации математического обеспечения (программ управ-
ления периферийными устройствами) может достигать 5 кГц, аппаратное
быстродействие комплекса (без учета программного обеспечения) состав-
ляет около 8000 измерений в секунду.
Характеристики выходных аналоговых сигналов: диапазон выход-
ного напряжения постоянного тока 0 — 10 В, время установления выход-
ного напряжения — не более 100 мкс.
Выходные сигналы устройства ввода-вывода дискретной информации
обеспечивают управление восемью релейными устройствами и четырьмя
каналами шаговых двигателей на уровнях сигналов ТТЛ.
Питание комплекса осуществляется от сети переменного тока напря-
359
жением 220 ± 10 %, потребляемая мощность не более 4 кВт. Площадь,
необходимая для размещения каждого комплекса, не более 25 м2.
Конструктивно комплекс состоит из стоек базового комплекса СМ-3
и измерительных стоек, выполненных на основе унифицированных типо-
вых конструкций УТК. Все функционально законченные блоки и пери-
ферийные устройства ИВК-7 размещены в двух стойках УТК по этажам.
В первой стойке расположены два усилителя Ф7073, АЦП типа Ф4221,
ЦАП типа ФТ23, БСИ; во второй стойке — три коммутатора ФТ99/2, уст-
ройство управления планшетным графопостроителем Н306Е и ниже на
выдвижном столике расположены собственно планшет графопостроителя
Н306К.
Комплекс ИВК-8 обеспечивает: программную коммутацию электри-
ческих сигналов постоянного тока; цифровое измерение электрических
сигналов постоянного тока; регистрацию данных; построение графиков
и зависимостей; выдачу электрических сигналов постоянного тока; сбор,
хранение и обработку результатов измерений.
Количество коммутируемых каналов комплекса 100. Диапазон ком-
мутируемых напряжений ± 10 В- Время одного измерения для структуры
’’коммутатор—цифровой вольтметр” не более 50 мс ± 2 % или 410 мс ±
± 2 % без фильтра (с фильтром 4).
Предел допускаемой основной приведенной погрешности для струк-
туры ’’коммутатор—цифровой вольтметр” при сопротивлении датчика,
равном нулю, и уровне входного сигнала ± 10 В — не более 0,1 %.
Характеристики выходных сигналов: диапазон выходного напряжения
постоянного тока ± 9,99999 В; поддиапазоны выходных напряжений
±0,1; ± 1,0; ± 10 В; количество дискретных значений на каждом поддиа-
пазоне 106; время установления выходного напряжения не более 10 мс.
Условия эксплуатации комплекса, электропитание и надежностные
характеристики такие же, как для ИВК-7.
Комплекс ИВК-8 состоит из управляющего вычислительного комплек-
са СМ-3, измерительной стойки УТК графопостроителя Н710 со стойкой
управления.
В состав измерительной стойки входят коммутатор Ф7046/7, БСИ,
источник питания + 5 В, панель автономного управления, комплект соеди-
нительных кабелей.
Комплекс ИВК ’Тамма” предназначен для автоматизации процессов
сбора, хранения, переработки и отображения радиометрической инфор-
мации, поступающей из гамма-камеры и многоканальных радиодиагности-
ческих приборов. Комплекс используется в автоматизированных системах
клинической радиоизотопной диагностики заболеваний при проведении
различных медицинских исследований.
Комплекс ИВК ’Тамма” имеет следующие функциональные возмож-
ности: накопление информации, поступающей из гамма-камеры и много-
канальных радиодиагностических приборов с выбором способа и режима
накопления; обработка зарегистрированной информации; визуализация
накопленной информации и результатов обработки (режим работы с по-
360
от гамма- камеры
Рис. 24.10. Структурная схема ИВК’’ГАММА”
требителем — диалоговый); хранение зарегистрированной информации,
в том числе формирование архива пациентов, выдача справочных данных
и результатов ранее проведенных исследований; составление специальных
программ обработки и анализ данных на языке высокого уровня. Струк-
турная схема комплекса ИВК ’Тамма” представлена на рис. 24.10.
Основной принцип построения комплекса заключается в том, что все
устройства, входящие в состав комплекса, объединены посредством еди-
ной системы сигналов и единого магистрального канала связи—интерфей-
са ’’Общая шина”.
Обмен данными между устройствами комплекса проходит по програм-
ме ЭВМ под управлением центрального процессора. Для организации быст-
рой передачи массивов данных между устройствами комплекса и оператив-
ного запоминающего устройства используется канал прямого доступа
к памяти (внепроцессорный обмен).
Комплекс выполнен на базе УВК СМ-4 и одной стойки унифициро-
ванной типовой конструкции, в которой размещены устройства подсис-
темы сбора и представления информации.
Информация с гамма-камеры в виде двух аналоговых сигналов по-
ступает на входы АЦП Ф7077/2, где преобразуется в семиразрядный дво-
ичный код и передается в интерфейсный блок гамма-камеры в виде коор-
динаты точки, в которой произошла сцинтилляция. С интерфейсного блока
гамма-камеры информация поступает в УВК СМ-4, где обрабатывается
361
поступающая информация, результаты выводятся на экранный графичес-
кий пульт ЭПГ СМ, графопостроитель кодовый Н306К или на широкую
печать.
К комплексу возможно подключение двух гамма-камер. Число ка-
налов при работе комплекса с многоканальными радиодиагностическими
приборами — 20. Максимальное быстродействие комплекса при работе
с гамма-камерой — 100 импульсов в секунду. Частота счета импульсов
по каждому каналу при работе с многоканальными радиодиагностичес-
кими приборами — не менее 1 кГц.
Минимальное задаваемое время накопления импульсов не более 0,05 с.
Допускаемое значение систематической составляющей основной погреш-
ности комплекса для канала аналого-цифрового преобразования — 25 мВ.
Допускаемое значение среднего квадратического отклонения случай-
ной составляющей погрешности комплекса для канала аналого-цифрово-
го преобразования — 20 мВ.
В комплект поставки ИВК ’Тамма” входят: управляющий вычисли-
тельный комплекс УВК 1401; графопостроитель кодовый 7306К; уст-
ройство отображения графической информации ЭПГ СМ; блок счетчиков;
блок системный интерфейсный; блок интерфейсный гамма-камеры.
Вопросы для самоконтроля
1. Укажите назначение и функции ИВК.
2. Каковы разновидности ИВК по функциям?
3. Укажите технические средства, входящие в состав элементов ИВК.
4. Расскажите о назначении и особенностях ИВК-1 и ИВК-3; ИВК-2 и ИВК-4;
ИВК-20; ИВК-9; ИВК-14; ИВК-10; ИВК-12; ИВК-7 и ИВК-8.
РАЗДЕЛУ. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Г Л А В А 25. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ
И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
§ 25.1. Общие положения
В 1960—1961 гг. в СССР была начата разработка методов унификации
средств автоматики, положившая начало созданию Государственной систе-
мы промышленных приборов и средств автоматики (ГСП), предназначен-
ной для АСУТП и автоматизированных систем планирования и управле-
ния предприятиями и отраслями промышленности [2.29,2.30] .
ГСП представляет собой совокупность изделий, предназначенных
для получения, обработки, отображения и выдачи командной информации
для обеспечения информационного (метрологического и функциональ-
ного) , энергетического и конструктивного сопряжения АСУ с объектами
управления. При этом изделия, входящие в ГСП, строятся на основе стан-
дартных базовых унифицированных конструкций. Такая унификация
позволяет обеспечить широкую компоновку разнообразных по назначе-
нию, технико-экономическим характеристикам и параметрам функцио-
нальных комплексов из ограниченного числа звеньев и узлов. Внедрение
в производство изделий ГСП значительно снижает себестоимость прибо-
ров и одновременно повышаются надежность и качество изготовления
последних при увеличении срока их службы.
В государственных стандартах закреплены все требования к изделиям
ГСП.
Дальнейшими программами намечается проведение работ по следую-
щим направлениям:
установление единых для стран—членов СЭВ оптимальных типораз-
мерных рядов приборов, единых методов испытаний, обеспечение техни-
ческой совместимости готовых изделий, взаимозаменяемость комплек-
тующих узлов, деталей и их элементов;
разработка основных направлений по нормативно-техническому обес-
печению перспективными средствами управления производственными
процессами, унифицированными электронными элементами (включая
микропроцессоры), новые специальные материалы и технологическое
оборудование для электроники.
ГСП включает в себя систему функциональных устройств, которые
состоят из следующих групп:
устройства получения информации, включающие устройства полу-
чения измерительной информации (первичные преобразователи различных
электрических и неэлектрических величин), устройства сигнальной ин-
формации (первичные преобразователи сигналов работы оборудования,
счета изделий и др.), устройства формирования алфавитной и цифровой
363
> «
информации (клавишные формирователи информации, считыватели гра-
фической информации и др.), нормирующие вторичные преобразователи;
устройства передачи информации, представляющие собой устройства
сбора сигналов;
устройства преобразования и хранения информации — усилители сиг-
налов, функциональные преобразователи (в том числе АЦП и ЦАП);
устройства вычислительной обработки информации (процессоры, запоми-
нающие устройства, устройства ввода-вывода и др.);
устройства использования информации - устройства представления
информации (аналоговые и цифровые визуальные и регистрирующие
приборы — самописцы, осциллографы, дисплеи и др.), устройства связи
оператора с системой управления (терминальные устройства, пульты и
др.), регулирующие устройства и исполнительные механизмы.
§ 25.2. Агрегатный комплекс технических средств
Агрегатирование — одно из направлений унификации, предназначенное
обеспечить реальное сопряжение номенклатуры изделий того или иного
назначения. Агрегатирование представляет собой такой способ конструи-
рования, который обеспечивает создание устройств и блоков за счет их
использования в конструируемых изделиях в различных сочетаниях.
• Набор унифицированных устройств или блоков получил название аг-
регатного комплекса технических средств.
Существующие агрегатные комплексы (АК) ориентированы на по-
строение с их помощью центральной части систем контроля, регулиро-
вания и управления. В настоящее время промышленность выпускает более
20 агрегатных комплексов, в которых конструктивно-элементная база,
а также нормативная документация являются общими для всех.
Агрегатные комплексы, входящие в ГСП, подразделяют на две груп-
пы: 1) специализированные по роду действия, но предназначенные для
различных отраслей промышленности; 2) предназначенные для некото-
рых специфичных отраслей промышленности. К первой группе АК отно-
сятся: комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ), пред-
ставляющий собой набор устройств для измерения и преобразования раз-
личных электрических величин с высокими метрологическими характе-
ристиками; комплекс средств контроля и регулирования (АСКР), состоя-
щий из набора первичных и вторичных преобразователей, регулятор для
систем контроля и регулирования; комплекс средств телемеханической
техники (АСТТ), включающий в себя набор средств, позволяющих осу-
ществлять телеизмерение; комплекс средств вычислительной техники
(АСВТ), включающий в себя процессоры, устройства памяти, вводные
и выводные устройства, устройства связи с объектом контроля; комплекс
средств сбора и первичной обработки дискретной информации (АСПИ),
состоящий из набора устройств регистрации работы оборудования, счета
изделий, подготовки дискретной информации для ее передачи по каналам
связи; комплекс технических средств локальных информационно-управ-
364
ляющих систем (КТС ЛИУС), состоящий из набора средств получения,
передачи и обработки информации и управления.
Кроме перечисленных АК в первую группу входит комплекс средств:
программного управления (АСПУ), аналитической техники (АСАТ),
ядерной техники (АСЯТ), рентгеновской техники (АСРТ), хронометри-
ческой техники (АСХТ) и др. Во вторую группу входят комплексы
средств: геофизической техники (АСГТ), гидрометрологической техни-
ки (АСГМ), неразрушающего контроля (АСНК), измерения и дозиро-
вания масс (АСИМ) и др. Каждый агрегатный комплекс второй группы
должен в основном комплектоваться элементами и блоками первой груп-
пы. При этом обеспечивается максимальная унификация средств инфор-
мационно-измерительной техники.
Агрегатные комплексы получают все большее развитие, в частности,
в первую группу комплексов могут войти быстро развивающиеся измери-
Рис. 25.1. Номенклатурные группы средств АСЭТ;
ИП - измерительные преобразователи; СИП - сервисные изме-
рительные преобразователи
365
тельно-вычислительные комплексы (ИВК), в которых все элементы сис-
темы программно управляются ЭВМ, а во вторую группу — новые комп-
лексы средств для контроля процессов в различных специфичных отрас-
лях промышленности, в частности в нефтяной и газовой промышленности.
Агрегатный комплекс АСЭТ. В СССР реализованы различные модифи-
кации АСЭТ (АСЭТ первой очереди; АСЭТ второй очереди и проводится
в жизнь АСЭТ третьей очереди). Основные укрупненные группы устройств
АСЭТ первой очереди следующие:
устройства сбора и преобразования информации (первичные и вторич-
ные измерительные преобразователи, коммутаторы и др.);
устройства измерения и представления информации;
устройства управления и блоки связи;
вспомогательные устройства.
Каждая из этих групп включает в себя различные номенклатурные
группы средств АСЭТ (рис. 25.1).
Последней ступенью детализации АСЭТ является класс средств (иног-
да и подклассы), для которых строят параметрический ряд; в состав
АСЭТ первой очереди входят около 250 типов средств электроизмеритель-
ной техники [2.30] .
По мере развития АСЭТ во вторую очередь была включена серия мало-
габаритных щитовых приборов для измерения в цепях постоянного или
переменного тока и серия приборов без механических перемещающихся
частей с повышеннным быстродействием и улучшенными прочностными
характеристиками. Была расширена номенклатура средств представления
информации, позволившая уменьшить число применяемых средств за
счет комплексного представления информации с учетом требований эрго-
номики. В рамках АСЭТ второй очереди были включены дополнитель-
но более 155 типов средств
электроизмерительной техники,
в большей степени удовлетво-
ряющих системным требова-
ниям.
Дальнейшее расширение об-
ластей применения систем, соз-
даваемых на основе АСЭТ,
повело за собой увеличение
числа групп, а в отдельных
случаях - видов агрегатных
средств, построенных по функ-
ционально-модульному спосо-
бу и имеющих программно-
алгоритмическое обеспечение.
Это привело к созданию АСЭТ
третьей очереди, в которую
для функциональной полноты
вошли устройства ввода и вы-
вода цифровой информации,
специализированные источники
Рис. 25.2. Комплекс аналоговых функцио-
нальных устройств АСЭТ
366
питания, имитаторы приборной магистрали и др. [23]. Комплекс анало-
говых функциотильных устройств АСЭТ третьей очереди приведен на
рис. 25.2. Основной особенностью этого комплекса устройств являются
измерительные преобразователи электроэнергетических параметров, при-
меняемых в составе АСУТП электроэнергетики. При этом здесь можно
выделить следующие основные направления работ по совершенствова-
нию измерительных преобразователей: создание новых и улучшение тех-
Рис. 25.3. Комплекс цифровых устройств АСЭТ-3
Рис. 25.4. Комплекс аналоговых устройств измерения и устройств передачи
информации АСЭТ-3
367
нико-эксплуатационных характеристик существующих типов: повышение
быстродействия ИП переменного тока для работы в экстремальных усло-
виях; создание нового класса преобразователей многоканального и много-
функционального преобразования для систем сбора и обработки инфор-
мации. Комплекс аналоговых цифровых средств АСЭТ третьей очереди
представлен на рис. 25.3. Особенность развития этого типа средств — пере-
ход на БИС, повышение быстродействия и точности преобразования, соз-‘
Дания многофункционального АЦП с использованием БИС-микропроцес-
соров.
Применение БИС позволяет строить новые структуры с использо-
ванием методов автоматической коррекции погрешностей преобразова-
ния, а также обработки результатов измерений.
Комплекс аналоговых устройств измерения и представления инфор-
мации третьей очереди представлен на рис. 25.4. Развитие этого комплекса
связано с решением вопросов эстетического оформления и улучшения
эргономических характеристик цифровых приборов, разработкой унифи-
цированных конструкций измерительных механизмов и освоением опто-
электронных электроизмерительных приборов на основе использования
БИС.
Рис. 25.5. Структура блоков связи и устройства АСЭТ-3
368
В рамках этого комплекса средств для возможности оперативной
визуализации и регистрации больших потоков измерительной информации
состав устройств представления информации расширен созданием различ-
ных типов индикаторов в системе отображения информации. Структура
блоков связи и устройств управления АСЭТ третьей очереди представлена
на рис. 25.5.
Комплекс АСВТ-М. Агрегатный комплекс АСВТ-М в микроэлектрон-
ном исполнении предназначен для комплектации систем управления тех-
нологическими объектами, является базой современных управляющих
ЭВМ и позволяет осуществить переход к сложным многомашинным сис-
темам.
Наличие в АСВТ-М большого числа комплексов позволяет строить
АСУ с минимальной избыточностью оборудования, способные выполнять
локальные функции и объединяться в иерархические системы.
В рамках СЭВ с 1978 г. начат серийный выпуск комплекса средств
ВТ в классе малых машин и международной системы малых ЭВМ (СМ
ЭВМ). При этом создается агрегатная система технических и программных
средств ВТ с нормативным методическим и эксплуатационным обеспе-
чением и стандартами, связанными рациональной совместимостью и уни-
фикацией системных, архитектурных и конструктивных решений. Комп-
лекс указанных средств ВТ предназначен для построения УВК, исполь-
зуемых в АСУТП, в САНИ, в САПР, а также при выполнении различных
научных и инженерных расчетов.
Первое поколение СМ ЭВМ имеет два ряда процессоров различной
производительности, обеспечивающих преемственность по архитекутуре
с семействами УВК МЛОО и М-6000 АСВТ-М. В настоящее время вычисли-
тельные комплексы СМ ЭВМ различного назначения строятся на базе про-
цессоров УВК М-400 и М-6000, модулей памяти и других технических
средств СМ ЭВМ. Внешние устройства являются общими для обеих архи-
тектур процессоров.
По ряду технических параметров и возможностям комплексы СМ-1
и СМ-2 идентичны УВК М-6000 и М-7000, а по быстродействию и надежнос-
ти превосходят их. В комплексах СМ-1 и СМ-2 предусмотрено сопряжение
с другими АК ГСП, а также с устройствами ЕС ЭВМ и аппаратурой, выпол-
ненной в стандартах КАМАК. Имеет место преемственность программного
обеспечения, поэтому любая системная программа УВК М-6000, М-7000
без изменения может быть использована на СМ-1 и СМ-2.
Второе направление СМ представляют УВК СМ-3 и СМ-4, компонуемые
на базе процессоров, обеспечивающих преемственность архитекутуры
с семейством М400 АСВТ-М. Особенность здесь в однотипности органи-
зации связи процессора с оперативной памятью и внешними устройствами
и в использовании интерфейса ’’Общая шина”.
Стековая память, развитая система адресации и прерываний, наличие
восьми универсальных регистров в центральном процессоре обеспечивает
высокое быстродействие при решении различных системных и вычисли-
тельных задач. Краткие сравнительные характеристики даны в табл. 25.1.
369
Комплекс СМ-3 является базовым и обеспечивает создание УВК раз-:
личной конфигурации для применения в системах автоматизации научных^
исследований и эксперимента; обработки информации; управления техно4
логическими процессами; в многомашинных вычислительных система^1
в качестве концентраторов и коммутаторов сообщений. Обеспечена под|
ная программная совместимость УВК М-400 и СМ-3. Краткие технически^
характеристики СМ ЭВМ приведены в табл. 25.2.
Появление микропроцессоров (МП) на базе больших интегральных
схем (БИС) повлекло за собой возникновение МП-систем, добавление
внешних блоков памяти ввода-вывода к МП позволило реализовать новый
класс миниатюрных вычислительных машин — микроЭВМ.
Характерными особенностями микроЭВМ являются:
малая разрядность обрабатываемых слов (4,8,12,16);
узкий (слаборазвитый) интерфейс, состоящий не более чем из 34
линий;
общий интерфейс для ОЗУ и внешних устройств;
селекторный режим обмена с внешними устройствами;
невысокая стоимость, высокая надежность и малые габариты.
Указанные характерные особенности микроЭВМ значительно повлия-
ли на структуру систем управления реального времени, предназначенных
для сбора и регистрации данных, автоматического контроля и управления
промышленным оборудованием и технологическими процессами. Таким
образом, появление микроЭВМ позволило создать децентрализованные
системы автоматического управления.
Сравнительная характеристика УВК СМ-1 и СМ-2
Таблица 25.1
Характеристики СМ-1 СМ-2
Максимальный объем оперативной па-
мяти, Кбайт 64 256
Объем микропрограммной памяти,
Кбайт Время выполнения основных опе- раций, мкс: 8 16
сложения с фиксированной запятой умножения с фиксированной запя- 2,5 2,5
той 36,6 10
сложения с плавающей запятой - 18-40
умножения с плавающей запятой - 23
передачи управления Максимальная скорость канала прямо- 2,5 1,8
го доступа в память, Келов Возможность встраивания в установки, 250 700
тдеиборы Есть Нет
Агрегатность конструктивного исполнения 370 Есть
Таблица 25.2
Сравнительные характеристики комплексов СМ-3 и СМ-4
Характеристики СМ-3 СМ-4
Управление комплексом Микропрограммное
Число универсальных регистров Тип интерфейса Пропускная способность интерфейса 8 8 Общая шина
в режиме прямого доступа, тыс. слов/с Оперативная память: максимальный объем оперативной 700 800
памяти, Кбайт 56 248
время цикла, мкс 1,2 1,2
Количество видов адресации Время выполнения команд, мкс: 12 12
регистр - регистр 5,0 1,2
регистр память 7,0 2,5
памя>-память 10 3,9
умножение с плавающей запятой — 35,0
Сложение с плавающей запятой умножение с фиксированной за- — 22,0
пятой сложение с фиксированной за- — 10,2
пятой 25 - 27 13,0
Современные микроЭВМ в основном имеют возможность сопряжения
с малыми ЭВМ серии СМ, что позволило создать системы управления,
реализующие неиерархический принцип. В этом случае микроЭВМ распо-
лагается в непосредственной близости от объекта управления, а общее
управление системой и вмешательство в работу микроЭВМ осуществля-
ется центральной малой ЭВМ. В этом случае локальные микроЭВМ полу-
чают информацию непосредственно от датчиков, производят обработку
поступающей информации, формируют и реализуют управляющие воз-
действия.
Комплекс АСКР-ЭЦ. Одним из важных устройств ГСП является комп-
лекс агрегатных средств контроля и регулирования АСКР-ЭЦ, предназна-
ченный для автоматизации различных технологических процессов с не-
прерывным характером производства*.
Комплекс АСКР-ЭЦ выполнен на элементах микроэлектроники с
полной конструктивной и метрологической совместимостью изделий.
Особенностями комплекса являются широкая номенклатура средств
* Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации.
Каталог. Комплекс агрегатных средств контроля и регулирования АСКР-ЭЦ. Т. 3.
Вып. 16. - М.: ЦНИИТЭН, 1977.
371
связи с оператором, возможность комплексной автоматизации объектов
и гибкого видоизменения структур систем автоматизации. Комплекс
реализует следующие функции:
непрерывное аналоговое измерение и запись текущих значений пара*
метров;
непрерывную сигнализацию отклонений параметров от норм на сиг-
нальных табло и мнемосхемах;
косвенные и совокупные измерения;
многоточечное регулирование по различным законам;
цифровую индикацию;
регистрацию в цифровой форме текущих значений параметров по
вызову, через фиксированные промежутки времени и при отклонении от
нормы;
первичную математическую и логическую обработку информации;
выдачу нормированной информации в цифровой форме для дальней-
шей обработки средствами ВТ;
выработку команд для логического управления и аварийной защиты.
Средства комплекса АСКР-ЭЦ чаще всего используются совместно
со средствами АСВТ, при этом возможны четыре варианта их совместного
использования;
типовые установки контроля АСКР работают в автономном режиме,
вычислительный комплекс на базе АСВТ работает в качестве терминала,
получая в заданной последовательности информацию от установок;
установки АСКР-ЭЦ работают в качестве периферийного устройства
УВК АСВТ, управление их работой осуществляется по командам про-
цессора;
отдельные средства АСКР-ЭЦ используются в качестве автономных
блоков в системах автоматизации, построенных на базе АСВТ;
отдельные средства АСВТ-М используются в качестве автономных
блоков в системах контроля, построенных на базе АСКР-ЭЦ.
Для реализации указанных режимов работы созданы необходимые
аппаратные средства и программное обеспечение (драйверы).
Электрическая и логическая стыковка средств АСКР-ЭЦ обеспечи-
вается типовым интерфейсом, на который выходят функциональные бло-
ки и устройства комплекса. Интерфейс характеризуется положительной
логикой сигналов, синхронным способом обмена информацией, парал-
лельной передачей двух байтов информации, магистральной организаци-
ей кодовых шин и высокой помехоустойчивостью при среднем быстро-
действии.
АСКР-ЭЦ имеют следующий состав:
центральные устройства обработки информации: многоканальное
устройство аналого-цифрового преобразования А328-18, устройство про-
граммной обработки дискретной информации А353-20;
периферийные средства: средства преобразования информации в ана-
логовой форме, блоки преобразования сигналов БА.02—001, БА.02—002,
БА.02—006, блоки непрерывной сигнализации БА.12—002, аналоговые
372
вычислительные устройства А343, средства уплотнений информации и
передачи по каналам связи, устройство коммутации сигналов датчиков
низкого уровня А206—01, блок коммутации сигналов высокого уровня
БА.09-005, модуль коммутации двухпозиционных сигналов МА.09—007,
блок распределения дискретных сигналов бесконтактный БА.00—014 и
контактный БА.14—002;
средства связи с оператором: прибор аналоговый показывающий
одношкальный А501, приборы аналоговые показывающие и регистри-
рующие одно- и двухканальные А542, трехканальные А543, прибор ана-
логовый показывающий многошкальный А511, блок цифро-буквенной
регистрации БА.11—005 с блоком управления печатью БА.14—001, блоки
представления информации БА.11—001, БА.11—002, БА.11—003, БА.
11—004, БА.11—006, мозаичные мнемосхемы;
блоки коммутирующие вызванного контроля с сигнализацией БА.
09—001 и без сигнализации БА.09—002, модуль связи с УВК М6000 МА.
22-008;
системные вторичные источники питания БА.07—001 - БА.07—006,
БА.07-011, БА.07—012;
типовые установки: установка непрерывного избирательного конт-
роля и позиционного регулирования А761-05, установка многоточечной
цифровой регистрации технологических параметров А701-06, установка
централизованного контроля технологических параметров А701-03, уста-
новки многоканального регулирования А305-13 и А306-14.
Вопросы для самоконтроля
1. Укажите назначение ГСП.
2. Что входит в состав ГСП?
3. Каковы принципы агрегатирования, назначение агрегатных комплексов?
4. Опишите агрегатный комплекс АСЭТ, его назначение, структуру и состав.
5. Опишите агрегатный комплекс АСВТ, его назначение, структуру и состав.
6. Опишите комплекс АСКР-ЭЦ, его назначение, структуру и состав.
Г Л А В А 26. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
§ 26.1. Общая характеристика перспективных направлений
Предпосылкой появления совершенных и эффективных автоматизи-
рованных систем управления и измерения, обладающих рядом новых
функциональных возможностей, явилось развитие вычислительной тех-
ники и программных средств, создание новых поколений средств изме-
рений физических величин и технологических параметров, аналитичес-
кой и диагностической техники.
Действительно, массовое внедрение микропроцессорной техники
способствовало переходу к проектированию нового класса децентрализо-
ванных систем управления, измерения, обработки и контроля. Здесь были
373
объединены преимущества микропроцессорной техники, возможности
новых СИ и магистрально-модульного принципа организации локальных
вычислительных систем.
В связи с изложенным выше можно указать следующие основные
перспективные направления развития измерительной техники.
1. Использование новых физических явлений и свойств материалов
для создания современных СИ, особенно первичных преобразователей
(датчиков). В настоящее время известно более 3000 физических эффек-
тов, однако при проектировании СИ используются лишь 200 — 300 из
общего числа этих достижений. В СССР значительное внимание уделяется
разработ] и широкому промышленному осзоению полупроводниковых
интегральных датчиков. Однакс ак ./оказывает научный прогноз, в бли-
жайшее время опто-электроник„ займет важное и главенствующее место
при создании (до 70 —80 %) всей датчиковой продукции.
2. Дальнейшее использование микропроцессорной техники для созда-
ния новых структур СИ, сочетающих рациональное распределение аппарат-
ных и программных средств. г
Возможности микропроцессорных СИ могут быть значительно расши-
рены за счет реализации различных функций по предварительной обработ-
ке измерительной информации (линеаризация, извлечение корней и др.),
реализация алгоритмов автоматической коррекции погрешностей и др.
Намечается унификация модулей средств ВТ, использование магист-
рально-модульного принципа и переход к 16—32-разрядным МП.
Будут ускорены работы по параллельной обработке информации
на разных уровнях. Тенденции развития вычислительной техники в пери-
од 1987 — 1995 гг., непосредственно определяющие перспективы исполь-
зования ВТ в СИ, системно обобщены в [2.32] .
3. Создание СИ с текущей диагностикой и самоконтролем. Текущая
диагностика и самоконтроль СИ во время их функционирования за счет
использования встроенных элементов является ведущим направлением.
Наиболее остро проблема применения методов встроенного контроля сто-
ит при создании датчиков. Сущность методов проектирования таких дат-
чиков заключается в том, что в состав СИ вносятся элементы, с помощью
которых осуществляется коррекция реальных функций преобразователей.
Например, при измерении температуры такая коррекция осуществля-
ется путем применения встроенных датчиков-калибраторов температуры.
4. Создание новых СИ с адаптацией (что особенно важно для ИИС)
обусловлено изменениями внешних условий, необходимостью изменения
решаемых задач, связанных с повышением качества и достоверности ин-
формации по измерению, контролю и диагностике. Задачи адаптации СИ
наиболее эффективно могут быть решены за счет алгоритмических и про-
граммных средств, без обращения к аппаратному обеспечению СИ.
5. Внедрение САПР при проектировании все более сложных СИ в сжа-
тые сроки вызывает необходимость интенсификации этих работ, цель
которых состоит в обеспечении бездефектного проектирования, снижении
материальных затрат, сокращении сроков проектирования. Не останавли-
374
ваясь на важности задач САПР в измерительной технике, отметим, что
теории и методам проектирования аппаратной части СИ посвящено много
учебной и технической литературы [2.33 и др.] . Однако вопросам автома-
тизации программного обеспечения САПР СИ, особенно ИИС, уделено
недостаточное внимание. Этому вопросу посвящен § 26.3.
6. Использование персональных компьютеров (ПК) при создании СИ,
особенно ИИС, САК, СТД, РИС, ИВК. Перспективность этого направления
рассмотрена в § 26.4.
В заключение укажем, что в настоящее время ставится задача обес-
печения функционально полной номенклатуры СИ, устройств получения,
передачи, обработки и использования информации для выполнения раз-
личных задач контроля, регулирования и управления в различных отраслях
народного хозяйства.
§ 26.2. Адаптация в информационно-измерительных системах
Эффективность функционирования ИИС во многом предопределя-
ется полнотой и достоверностью априорной информации об измеряемых
величинах, об условиях функционирования ИИС. В тех случаях, когда
отсутствует полнота и достоверность априорной информации, применяются
различные методы адаптации ИИС, называемая адаптивными (АПИС).
Методы адаптации ИИС можно классифицировать в соответствии с
теми задачами и теми этапами сбора и обработки информации, которые
осуществляются с применением адаптивных методов. На этом основании
в качестве основных задач, использующих адаптацию, можно выделить
задачи адаптивного аналого-цифрового преобразователя; адаптивного сбо-
ра и передачи измерительной информации в ИИС; адаптивной фильтрации
измерительной информации; адаптивной идентификации измерительных
сообщений.
Очень широко адаптация применяется для повышения точности кван-
тования с учетом закона распределения измеряемой случайной величины.
При заданном диапазоне измерения и числе уровней квантования значения
уровней квантования обычно распределяются равномерно по всему диа-
пазону. Погрешность квантования при этом определяется значением интер-
вала между соседними уровнями квантования и считается равномерно
распределенной на этом участке.
Если принять во внимание, что измеряемая случайная величина' име-
ет некоторое, как правило, неравномерное распределение в диапазоне из-
мерения, то естественно выбирать ширину интервала квантования на раз-
ных участках диапазона измерения также неодинаковой, а именно там,
где вероятность значений случайной величины выше, целесообразно выби-
рать более узкий интервал между соседними уровнями квантования, что
позволяет в среднем уменьшить дисперсию квантования.
Еще одной задачей, решаемой с помощью адаптации, является выбор
диапазона измерения. Так, доказано, что при стохастическом квантовании
случайных сигналов (СС) для заданного распределения СС существует
375
некоторое оптимальное значение ширины диапазона, при котором резуль-
тирующая ошибка стохастического квантования минимальна. Если же
указанное распределение априори неизвестно, то диапазон измерения
может корректироваться уже в процессе квантования на основании те-
кущих измерений, т. е. адаптивным путем.
Большие возможности для адаптации заложены в АЦП замкнутого
типа, в методах итерационной коррекции погрешности измерений. Общая
схема итерационного измерения была задана выше.
Прежде всего уже сам итерационный метод коррекции погрешнос-
тей является по существу адаптивным, так как при любых значениях
систематических погрешностей корректируемого измерительного тракта
при сходимости итерационной процедуры обеспечивается отсутствие влия-
ния систематических погрешностей на конечный результат. Однако поми-
мо самой итерационной схемы адаптация может присутствовать и на дру-
гих этапах, например при выборе шага итерации на каждой адаптации,
обеспечивая более быструю сходимость конечного результата.
Ряд возможностей для применения адаптации имеется и при измерении
итерационным методом различных физических величин.
При переходе к задачам сбора и передачи измерительной информации
возникают аспекты, связанные с временной протяженностью й многомер-
ностью измерительных сообщений. Адаптивные ИИС открывают здесь
большие возможности для улучшения метрологических характеристик,
повышения помехоустойчивости, сокращения избыточности.
Известны различные подходы к построению адаптивных систем сбора
измерительной информации. Так, по функциональному признаку адап-
тивные ИС подразделяют на системы со сжатием данных; системы с само-
обучением, системы с перестраиваемой структурой. Наиболее полно в
настоящее время исследованы системы со сжатием данных. Принцип сжа-
тия заключается в уменьшении числа отсчетов измерительного сообщения
и может быть также реализован по-разному.
Различают методы адаптивной коммутации и адаптивной дискрети-
зации. При адаптивной коммутации опрашивается несколько измеритель-
ных каналов и в каждом цикле опроса к системе сбора подключается
канал с наибольшим отклонением сообщения от некоторого прогнози-
руемого значения. Передаваемый отсчет сопровождается адресом. При
адаптивной дискретизации моменты формирования отсчетов определяются
по текущему отклонению от прогнозируемого значения сообщения для
данного канала. Обычно используют простейшие виды предсказателей —
конечно-разностные предсказатели нулевого и первого порядков. Эффек-
тивность предсказания может быть повышена за счет применения более
точных параметрических моделей. Например, в том же классе конечно-
разностных моделей могут быть применены модели типа авторегрессии —
скользящего среднего. Однако платой за повышение эффективности пред-
сказания здесь является необходимость знания параметров модели. По-
скольку само измерительное сообщение заранее, как правило, не может
376
быть идентифицировано, возникает необходимость в одновременном
оценивании параметров модели, что приводит к построению адаптивных
систем сбора, принцип работы которых основан на текущей идентификации
модели измерительного сообщения в процессе поступления данных.
Здесь возможны два подхода к использованию модели. Если считать,
что модель во времени не изменяется, то новые данные используются
только для ее уточнения, а сама модель используется для предсказания
в алгоритмах сжатия. Если модель процесса может изменяться во време-
ни, новые данные могут использоваться как для уточнения, так и для по-
строения новой модели, параметры которой могут быть использованы
в качестве компонент преобразованного измерительного сообщения. По-
следний принцип используется в алгоритмах сжатия данных на базе ор-
тогональных преобразований. Таким образом, существует концептуаль-
ная связь между различными видами алгоритмов адаптивного сжатия,
в частности между методами апертурного сжатия и методами, использую-
щими ортогональное преобразование для представления сообщения на
отдельных участках. Оба типа алгоритмов — граничные случаи единого под-
хода, основанного на идентификации измерительных сообщений.
Следующий широкий круг проблем адаптации связан с задачей филь-
трации измерительных сообщений. К задаче фильтрации примыкает и
другая важнейшая задача — задача идентификации модели системы и оце-
нивания ее параметров. Адаптивные, алгоритмы фильтрации и идентифи-
кации часто используются совместно, образуя единую замкнутую (адап-
тивную) схему процесса обработки измерительного сообщения. К числу
таких схем, например, относятся адаптивные фильтры Калмана. Как из-
вестно, адаптация может оказаться эффективным средством повышения
помехоустойчивости ИС, например, при использовании робастных мето-
дов. Как известно, эффективность робастного статистического метода
предопределяется его адекватностью модели шума, которая часто оказыва-
ется неизвестной. В этом случае может быть использована структурная
адаптация, основанная на перестройке метода оценивания по мере накоп-
ления информации о помехах. ИИС представляют собой сложные комп-
лексы по сбору, преобразованию и переработке информации; работа таких
комплексов должна анализироваться с системотехнических позиций и
описывается большим числом частных моделей. Каждая из таких моделей
основывается на определенном представлении об ИИС, как об одном из
вариантов кибернетической системы, основными чертами которой, как
известно, являются самообучение и самоорганизация.
§ 26.3. Методология построения САПР
информационно-измерительных систем
Проектирование современных ИИС связано с решением целого комп-
лекса различных задач — системных, технических, конструкторских, про-
граммных, математических и др. Требования к качеству ИИС, к их функ-
циональным возможностям, к предельному сокращению сроков разработ-
377
ки делают актуальной проблему создания эффективных и удобных для
разработчика ИИС систем автоматизированного проектирования (САПР).
Создание САПР ИИС может быть реализовано по двум направлениям.
Первое состоит в более полном использовании опыта, накопленного в
проектировании ИИС — конкретной номенклатуре типовых структур,
технических решений, математических и имитационных моделей, коли-
чественных характеристик и критериев, процедур расчета, поиска и тд.
Создаваемые при этом многочисленные подпрограммы или подсистемы
внутренне между собой не связаны, но могут быть объединены в еди-
ную САПР общим информационным обеспечением и программой управ-
ления процессом проектирования.
Второе направление в создании САПР ИИС состоит в использовании
принципиально новых возможностей, предоставляемых современными язы-
ками и системами программирования, такими, в частности, как системы
концептуального и логического программирования. Трудности в исполь-
зовании таких систем в процессах автоматизированного проектирова-
ния носят не столько программный, сколько методологический характер,
так как связаны с выявлением и формализацией принципиально новых
проектных задач. Такого рода задачи возникают, как правило, на этапах
творческой деятельности разработчика и называются ’’интеллектуальными”.
При создании САПР ИИС оба выделенных направления могут оказать-
ся полезными и быть реализованы в виде единой информационной тех-
нологии проектирования. Однако в работах по созданию САПР ИИС вто-
рому направлению практически не уделяется должного внимания, ввиду
чего эффективность САПР ИИС не отвечает предъявляемым к современ-
ным САПР требованиям. Вместе с тем создание САПР ИИС качественно
нового уровня станет возможным лишь при включении в САПР соответ-
ствующих ’’интеллектуальных” средств.
Таким образом, основными задачами при создании САПР ИИС яв-
ляются разработка базы знаний (БЗ) по данной предметной области
и построение на ее основе единой технологии проектирования, поддержи-
ваемой соответствующими программными средствами.
Основным методологическим приемом при создании БЗ является
типизация и структуризация различных знаний об ИИС, сведение их в
единую концептуальную модель, формализация процесса проектирования.
При выборе форм представления знаний для БЗ статистических ИИС
большое значение имеет наличие и уровень развития соответствующих
языков и систем программирования, ориентированных на работу со зна-
ниями. Здесь следует отметить возможность использования в САПР ИИС
инструментальной системы программирования ПРИЗ ЕС [2.34] , языков
ПРОЛОГ, ЛИСП и других задач проектирования может успешно решаться
и с помощью обычных баз данных.
Состав и структура информации, включаемой в БЗ, обусловлены осо-
бенностями и задачами ИИС. Например, статистическими ИИС, как извест-
но, называют комплексы программных и технических средств, обеспе-
чивающих получение первичной информации об объектах со стохасти-
378
ческим поведением, а также переработку полученной информации в нуж-
ную форму (модели,характеристики).
Особенностями статистической ИИС являются разнообразие исследуе-
мых стохастических объектов, режимов и методик регистрации процес-
сов, методов получения первичной информации, сложность процедур
обработки, неоднозначность интерпретации полученных результатов.
Целью системотехнического проектирования является анализ тех-
нико-экономических требований, синтез структуры и функциональное
моделирование ИИС на системном уровне. Наряду с широко применяемы-
ми в практике САПР методами имитационного и математического моде-
лирования здесь необходимы средства автоматизированного синтеза струк-
тур ИИС. Возможно несколько подходов: описание структуры пользо-
вателем в диалоговом режиме редактирования, банк структур, синтез
структур с помощью продукций и ряд других методов.
Алгоритмический уровень проектирования заключается, в свою оче-
редь, в разработке алгоритмического описания процедур преобразования
измерительной информации в ИИС от момента ее получения до представ-
ления полученных результатов. Здесь, как и на системотехническом уров-
не, возникает ’’интеллектуальная” задача синтеза алгоритмов ИИС. При
этом наряду с уже упоминавшимися подходами (банк алгоритмов, метод
продукции и др.) может быть использован аппарат вычислительных моде-
лей, положенный в основу системы программирования ПРИЗ ЕС [2.35,
2,36]. В связи с широким внедрением и использованием микроЭВМ и
микропроцессоров в ИИС одним из важных этапов проектирования
является программирование указанных средств, т. е. программный уро-
вень проектирования. Технология проектирования обязательно должна
включать в себя конвертирование программного продукта, полученного
в технологической ЭВМ, в рабочую программу для микроЭВМ или микро-
процессорного вычислительного средства.
Таким образом, анализ позволит определить основные черты инфор-
мационной технологии автоматизированного проектирования ИИС. В
основу САПР должна быть заложена система программирования, вклю-
чающая средства ведения диалога, система. управления базой данных
(СУБД) для организации информационного обеспечения процесса проек-
тирования, язык логического вывода, аппарат вычислительных моделей
для алгоритмов и программ, конвертор для получения конечного програм-
много продукта. Указанные программные средства, как правило, сущест-
вуют лишь каждое в отдельности и не приспособлены для взаимодействия
друг с другом. Некоторое исключение в этом смысле составляет инстру-
ментальная система программирования ПРИЗ ЕС, совместимая с СУБД
ДАБУ и диалоговой системой ДИМО. Комплексирование упомянутых
систем позволяет преодолеть некоторую ограниченность возможностей
ПРИЗ ЕС как ’’интеллектуального” средства и реализовать в рамках САПР
решение некоторых ’’интеллектуальных” задач проектирования.
Первым шагом в создании базы знаний САПР является разработка
379
концептуальной модели предметной области. Концептуальная модель
включает в себя основные понятия предметной области, описание их
свойств — атрибутов и всевозможные связи между понятиями и их ат-
рибутами. Сами связи могут быть при этом функциональными, инфор-
мационными, логическими и др.
На основе такой концептуальной модели может быть, в частности,
создана база данных (БД), реализованная в рамках СУБД ДАБУ. Такая
БД содержит всю необходимую информацию о предметной области и
обеспечивает организацию сложных информационных запросов в процес-
се работы САПР.
Весьма эффективно совмещение аппарата СУБД с аппаратом вычис-
лительных моделей, что позволяет организовать в процессе обращения
к БД достаточно сложные вычислительные процедуры.
С помощью языка УТОПИСТ могут быть построены фреймы понятий
и процедур концептуальной модели (КМ). При разработке КМ предмет-
ной области в ней целесообразно выделить конкретные области знаний,
характерные для ИИС определенного типа. Так, для статистических ИИС
можно выделить области спектрального анализа, корреляционного анали-
за, фильтрации, регистрации и представления сигналов, регрессионного
анализа, идентификации динамических моделей, измерительных преобра-
зований и коррекции погрешностей, сжатия и восстановления данных.
При этом каждая из областей может быть представлена своей соб-
ственной БД, содержащей информацию об объектах проектирования.
Диалоговую систему ДИМО, также включенную в состав програм-
много обеспечения САПР, можно рассматривать как средство для описа-
ния типового процесса проектирования, т. е. процедурных знаний. Для
этого необходимо провести типизацию процессов проектирования ИИС,
включая этапы формирования и заполнения технического задания, выбо-
ра структуры, получения априорной информации об объектах измерения
и оценки качества проектных решений. При этом возможность создания
базы знаний предметной области на основе БД и использовании вычис-
лительных моделей ПРИЗ ЕС позволяют существенно повысить эффек-
тивность работы системы и качества принимаемых решений в САПР ИИС.
Результатом работы системы должна являться в конечном счете выб-
ранная структура ИИС, детализированная описанием включенных в ее
состав устройств и алгоритмов. Для задач САПР ИИС на базе микропроцес-
соров или микроЭВМ необходимо создание конвертора, осуществляющего
перевод результатов работы ПРИЗ ЕС в программные модули для ПК.
§ 26.4. Персональные компьютеры в измерительной технике
Одним из перспективных направлений в последние годы является
применение персональных компьютеров (ПК) в измерительной технике.
Измерительные системы на базе ПК обладают многочисленными преиму-
ществами по сравнению с традиционными системами. Они используются
в составе многоцелевых автоматических измерительных установок, ин-
формационно-измерительных систем и систем автоматизации зксперимен-
380
та. Благодаря ПК в этих системах значительно облегчены процедуры взаи-
модействия пользователей с измерительными модулями, путем использо-
вания графических интерфейсов с многооконными режимами, специали-
зированных пакетов программ и т.д. В составе системы ПК обеспечивает
сравнительно простую ее адаптацию при изменении алгоритма обработки
информации, позволяет производить оптимизацию параметров системы
программным методом. Кроме обработки измерительной информации
ПК осуществляет функции контроллера, а также универсального индика-
тора табличной, мнемонической и графической информации [2.37] .
Получили распространение различные структуры измерительных систем
на базе ПК. Прежде всего это традиционные системы, в которых компью-
тер связан с существующими автоматическими измерительными прибо-
рами с помощью кабеля через стандартные разъемы по интерфейсам М ЭК-
625 или КАМАК. При удаленных приборах используется последовательный
интерфейс связи (ИРПС).
В более совершенных устройствах ПК подключается к шасси, где ус-
танавливается ряд индивидуальных одноплатных модулей измерительных
приборов. Использование отдельного шасси гарантирует малый уровень
электрических помех при проведении измерений, а высокоскоростная
параллельная шина обеспечивает тесную связь с компьютером. Клавиа-
тура и дисплей ПК становятся панелью управления и представления дан-
ных для каждого измерительного прибора. При таком подходе в измери-
тельных системах получили распространение стандартные интерфейсы об-
щего назначения, применяемые в микроЭВМ, такие, как И-41, VME и
др. Это позволяет повысить пропускную способность системы и лучше
использовать потенциальные возможности ПК. Так, высокоскоростная
шина VME-bus позволяет осуществлять обмен параллельными 32-разряд-
ными двоичными кодами с частотой 50 мГц.
Персональные компьютеры обычно оснащены самыми разнообраз-
ными программными средствами, в том числе набором инструментальных
и сервисных программ. К ним добавляются также комплексы программ
и драйверы управления измерительными платами, подключенными к
ПК. Так как обычно приходится манипулировать с большими объемами
кратковременно существующих данных, в системах с ПК важное значе-
ние придается вопросам сжатия информации и ее быстрой обработке.
Часто используется принцип преобразования собираемых данных в стан-
дартные форматы, что в дальнейшем позволяет их обрабатывать приклад-
ными программами. В качестве языков управления чаще всего применяют-
ся БЕЙСИК и ПАСКАЛЬ.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы перспективные направления развития измерительной техники?
2. В чем суть адаптации в ИИС?
3. Какие направления реализаций САПР ИИС?
4. В чем особенности поколений персональных компьютеров?
5. Каковы преимущества персональных компьютеров при построении средств
измерения?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рекомендуемая (1)
1.1. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и ал-
горитмы, системотехническое проектирование. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
1.2. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.Н. Теоретические основы инфор-
мационной техники. - М.: Энергия, 1979.
1.3. Основы метрологии / Под ред. Г.Д. Бурдуна. - М.: Изд-во стандартов, 1985.
1.4. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной тех-
ники. - Киев: Вищашкола, 1985.
1.5. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и циф-
ровые) . - Киев: Вшца школа, 1986.
1.6. Электрические измерения / Под ред. В.Н. Малиновского. - М.: Энергоатом-
издат, 1985.
1.7. Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Е.М. Душина -
Л.: Энергоатомиздат (Ленинградское отделение), 1987.
1.8. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических вели-
чин: Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат (Ленинградское отде-
ление), 1983.
1.9. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. - М.: Высшая школа,
1981.
1.10. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. - М.: Энер-
гоатомиздат, 1986.
1.11. Алиев Т.М., Вигдоров Д.И., Кривошеев В.П. Системы отображения инфор-
мации. - М.: Высшая школа, 1988.
Использованная (2)
2.1. Мамиконов А.Г. Проектирование АСУ. — М.: Высшая школа, 1987.
2.2. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -
Л.: Энергоатомиздат, 1985.
2.3. Грановский В.А. Динамические измерения: Основы метрологического из-
мерения. -Л.: Энергоатомиздат, 1984.
2.4. Билинский И.Я., Микелсон А.А. Стохастическая цифровая обработка непре-
рывных сигналов. — Рига: Зинатис, 1983.
2.5. Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин. — М.: Энерго-
атомиздат, 1987.
2.6. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. - Киев: Вшца школа, 1981.
2.7. Саченко А.А., Мильченко В.Ю., Кочан В.В. Измерение температуры датчика-
ми со встроенными калибраторами. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
2.8. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. — М.: Радио
и связь, 1984.
2.9. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А.А., Шекиханов AM. Итерационные методы
повышения точности измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
2.10. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительно-вычислительные системы
количественного учета нефтепродуктов. - М.: Недра, 1984.
2.11. Кузьмичев Д.А. Радкевич И.А., Смирнов А.Д. Автоматизация эксперимен-
тальных исследований. — М.: Наука, 1983.
2.12. Горелик АЛ., Скрипкин В.А. Методы распознавания. — М.: Высшая шко-
ла, 1977.
2.13. ТутевичВ.Н. Телемеханика. - М.: Высшая школа, 1985.
2.14. Микропроцессоры / Под ред. Л.Н. Преснухина. В 3-х кн. Кн. 2. Средства
сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы. - М.: Выс-
шая школа, 1986.
2.15. Хазанов Б.И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.
382
2.16. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. Л.: Эноргоитом-
издат, 1986.
2.17. Мозгалевский А.В., Калявин В.П., КостанЛи Г.1’. Лиипюстироианив элек-
тронных систем / Под ред. А.В. Мозгалсвского. Л.: Судостроение, 1984.
2.18. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Автоматический контроль и диагностики
скважинных штанговых насосов. - М.: Недра, 1988.
2.19. Никитин AM. Интерфейсы микропроцессорных систем для автоматизации
научных исследований. - М.: Изд. МИФИ, 1986.
2.20. СМ ЭВМ: Комплексирование и применение / Под ред. А.М. Прохорова.
М.: Финансы и статистика, 1986.
2.21. Технические средства АСУ / Под ред. Г.Б. Кезлинга. Справочник, т. I. Тех-
нические средства ЕС ЭВМ. - Л.: Машиностроение, 1986.
2.22. Технические средства АСУ / Под ред. Г.Б. Кезлинга. Справочник, т. 2. Тех-
нические средства СМ ЭВМ. - Л.: Машиностроение, 1986.
2.23. Измерительно-вычислительные комплексы на базе СМ-3 и СМ-4: Отрасле-
вой каталог. — М.: ЦНИИТЭИприборостроения, 1983.
2.24. Мелик-Шахназаров А.М., Маркатун М.Г. Цифровые измерительные системы
корреляционного типа. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
2.25. Мягев А.А., Иванов В.В. Интерфейсы вычислительных систем на базе мини-
и микроЭВМ / Под ред. Б.И. Наумова. — М.: Радио и связь, 1986.
2.26. Синицын Н.В., Петропавловский В.П., Никитин А.М. Автоматизированные
системы научных исследований. - М.: Знание, 1987.
2.27. Заморин А.П., Мячев А.А., Селиванов Ю.П. Вычислительные машины, сис-
темы, комплексы: Справочник / Под ред. В.В. Пржиялновского и Б.И. Наумова. -
М.: Энергоатомиздат, 1985.
2.28. Малые ЭВМ и их применение / Под ред. Б.И. Наумова. - М.: Статистика,
1980.
2.29. Государственная система промышленных приборов и средств автомати-
зации / Под ред. Г. И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИприборостроения, средств ав-
томатизации и систем управления, 1981.
2.30. Певзнер Г.С., Цветков Э.И. , Цодиков М.Б. Агрегатирование в электропри-
боростроении. - М.: Энергия, 1981.
2.31. Краус М., Кучба Э., Вошни О.Г. Сбор данных в управляющих вычисли-
тельных системах: - М.: Мир, 1987.
2.32. Прангишвили И.В. Тенденции развития вычислительной техники в период
1987 - 1995 гг. - М.: Мир, 1987.
2.33. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы
САПР. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
2.34. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование техничес-
ких устройств и систем. - М.: Высшая школа, 1986.
2.35. Кахро М.И., Колья А.П., Тыугу Э.Х. Инструментальная система програм-
мирования ЕС ЭВМ - М.: Финансы и статистика, 1981.
2.36. Тыугу Э.Х. Концептуальное программирование. - М.: Наука, 1984.
2.37. Персональный компьютер, расширенные возможности контрольно-изме-
рительных и испытательных систем // Электроника. 1986. Т. 59. № 6.
2.38. Relativ humidity measurement using a microcomputer. ’’Chen IJ. Teo C.L. Int
Electron”, 1981. №51.
2.39. Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем.
Сб. руководящих документов. — М.: Изд-во стандартов, 1984.
2.40. ГОСТ 26.202-81 ”БСПП. Комплексы измерительно-вычислительные. Приз-
наки классификации. Общие требования”.
2.41. ГОСТ 88 0.091.123-83 ’’Система стандартов Академии наук СССР. Прибо-
ры для научных исследований и автоматизаци;; эксперимента. Система КАМАК. Мно-
гоконтрольный крейт. Требования к интерфейсу и дополнительным крейт-контрол-
лерам”.
2.42. ГОСТ 25 904 -80 ’’Система малых ЭВМ и АСВТ-М. Интерфейс ИУС. Струк-
тура и состав. Логические и электрические условия. Конструктивная реализация”.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................ 3
РАЗДЕЛ!. ВВЕДЕНИЕ В ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ.......................... 4
Г л а в а 1. Общие сведения об измерительной технике.............. 4
Г л а в а 2. Операции измерения и средства их реализации.......... П
Г л а в а 3. Погрешности измерений................................23
РАЗДЕЛ 2.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ И ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ..................41
Г л а в а 4. Измерительные сигналы............................... 41
Г л а в а 5. Квазидетерминированные сигналы...................... 44
Г л а в а 6. Случайные сигналы................................... 50
Г л а в а 7. Преобразование измерительных сигналов............... 55
РАЗДЕЛ 3. ОБРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ.......................63
Г ла в а 8. Дискретизация измерительной информации...............63
Г л а в а 9. Кодирование измерительной информации.................67
Г л а в а 10. Фильтрация измерительных сигналов....................71
РАЗ ДЕЛ4. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН АНАЛОГОВЫМИ
И ЦИФРОВЫМИ ПРИБОРАМИ.............................................79
Г л а в а 11. Аналоговые преобразователи и измерительные приборы...79
Глав а 12. Цифровые преобразователи и приборы...................98
Г л а в а 13. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных при-
боров ........................................................125
РАЗ ДЕЛ 5.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИ-
ЧИН ......................................................... 139
Г л а в а 14. Измерительные преобразователи неэлектрических величин.139
Глава 15. Измерительные цепи преобразователей.................149
Г л а в а 16. Методы измерения неэлектрических величин............153
РАЗДЕЛ 6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ....................173
Г п а в а 17. Основные понятия об измерительных информационных системах 173
Г л а в а 18. Интерфейсы измерительных систем.......................189
Глава 19. Элементы измерительных информационных систем..........236
Г л а в а 20. Структуры и алгоритмы функционирования измерительных
систем.......................................................... 281
Г л а в а 21. Системы технической диагностики (СТД)...............297
Г л а в а 22. Распозиавающие измерительные системы (РИС)..........309
Г л а в а 23. Телеизмерительные информационные системы............323
Глава 24. Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).........340
Р А 3 Д Е Л 7. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ. ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ...................................363
Г ла в а 25. Государственная система промышленных приборов и средств
автоматизации.................................................363
Глава 26. Перспективы развития измерительной техники..........373