Пристрої введення (виведення) аналогової інформації в ЕОМ (аналого-цифрові інтерфейси)

Контроль та управління складними інформаційно - вимірювальними та технологічними процесами забезпечується шляхом аналізу досить значної кількості параметрів цих процесів. На практиці ця кількість коливається від декількох одиниць до декількох сотень, в залежності від типу процесу. Більшість процесів дозволяє зняти інформацію про їх параметри в автоматичному режимі за допомогою так званих первинних перетворювачів інформації. Як правило, первинний перетворювач інформації у якості вхідного сигналу має фізичні величини, що характеризують процес, такі, наприклад, як температура, тиск, вологість, швидкість і таке інше. Вихідний сигнал формується у вигляді струму, напруги або частоти. Він додатково характеризується такими параметрами, як динамічний діапазон зміни сигналу та ширини смуги частотного спектру.

Одержані від первинних перетворювачів, як правило, безперервні (аналогові) сигнали напруги, струму або частоти необхідно ввести в ЕОМ в дискретній формі, обробити за вибраним алгоритмом та вивести, можливо в аналоговій формі, для подальшого управління технологічним процесом. Необхідність виконання цих операцій обумовлює проведення ряду перетворень інформаційних сигналів з аналогової форми в дискретну та навпаки, передачу сигналів по інформаційних каналах (в тому числі по лініях зв’язку) в аналоговій або дискретній формі, комутацію інформаційних каналів від різних первинних перетворювачів, узгодження характеристик елементів і ряду інших операцій. Ця задача реалізується за допомогою деякої сукупності пристроїв та елементів, що можна визначити як аналого-цифровий інтерфейс (АЦІ) ЕОМ. Узагальнена структура аналого-цифрового інтерфейсу може мати вигляд зображений на рис.20.4.

 

ППІ₁ - ППІ_n - первинні перетворювачі інформації; УНП - узгоджувально - нормувальні пристрої; АФ - аналогові фільтри; МС - мультиплексори; АЦП - аналого-цифровий перетворювач; МД - апаратура передачі / приймання даних (модем); ЛЗ - лінія зв’язку; ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач; ДМС - демультиплексор сигналів; ПП - підсилювач потужності; BO - виконавчий орган;

СУ - схема управління

Рисунок 20.4 – Узагальнена структура АЦ інтерфейсу

Аналогові фізичні величини формують на виході первинних перетворювачів інформації (ППІ) сигнали напруги (струму, частоти та інш.), функція зміни яких пропорційна функції зміни параметрів інформаційно- технологічних процессів. Ці сигнали характеризуються, перш за все, динамічним діапазоном Dx(t) в децебелах:

 

D_X(t)=20 lg A_max / A_min,

 

де А_max - максимальне значення амплітуди сигналу X(t) в абсолютних одиницях (В, А, Гц);

А_min - мінімальне значення сигналу в абсолютних одиницях (В, А, Гц);

та смугою частот в спектрі сигналу x(t) від f_н, до f_в в герцах (кТц, мГц).

 

Графічно вищевказане виглядає як показано на рис.20.5.

 

Рисунок 20.5 – Характеристики сигналу X(t)

 

Окрім вищевказаних параметрів потрібно враховувати вплив вихідних імпедансів (Rвих) та похибок характеристики передачі (перш за все нелінійностей) первинних перетворювачів. Передача сигналу X(t) в схему АЦ інтерфейсу не повинна супроводжуватись додатковими похибками або їх величина не повинна перевищувати встановленої долі значення А_min (у більшості випадків це 1/4 А_min). Тому на вході АЦ інтерфейсу зазвичай встановлюють узгоджувально-нормувальні пристрої (УНП), основна функція яких полягає в забезпеченні вхідного імпедансу на рівні Rвх_унп ≥(5/10)Rвих_ппі. Це дозволяє усунути вплив вхідних кіл АЦ інтерфейсу на вихідний опір ППІ, як джерела сигналу.

Окрім функції узгодження імпедансів, УНП виконує також функції нормування (підсилення або послаблення) сигналу X(t). Така необхідність виникає в тих випадках коли, вихідний сигнал ППІ має низьке значення Аmах (на рівні мікровольт або мілівольт). Основні функції УНП та функції аналогового фільтра (АФ) на практиці можна інколи забезпечувати одним елементом, використовуючи операційні підсилювачі. Якщо це неможливо, то аналоговий фільтр встановлюють додатково. До функцій аналогового фільтра відносять обмеження спектру частот сигналу X(t) значеннями f_н та f_в. При цьому відсікаються всі складові, що не належать до сигналу X(t). Аналоговий фільтр додатково застосовується для усунення ефекту накладання спектрів при дискретизації, а також для відновлення безперервних (аналогових) сигналів з дискретної (цифрової) форми.

Якщо інформаційно-технологічний процес характеризується значною кількістю параметрів, що обробляються n-ю кількістю ППІ, то до складу АЦІ необхідно вводити мультиплексори аналогових (або цифрових) сигналів. Мультиплексори сигналів (МС) дозволяють забезпечити перетворення m-сигналів X(t) з аналогової форми в цифрову за допомогою одного аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Для забезпечення такого перетворення необхідно мати АЦП, розрядність якого забезпечує динамічний діапазон Dx(t):

n≥ D_X(t) / G,

 

де

G = 20 lg 2» 6.

 

Цей АЦП повинен мати частоту дискретизації в m раз вищу такої, що потрібна для перетворення в дискретну форму (дискретизації) сигналу X(t) по одному каналу:

fg_АЦП ≥ m * fg _Xi(t) .

 

Передача такої дискретної (цифрової) інформації до системної ЕОМ може здійснюватись на значні відстані, в тому числі і по телефонних мережах. Така передача забезпечується пристроями передачі даних, у якості яких можуть використовуватись модеми (МД) під управлінням схем управління (СУ) АЦІ.

У випадку необхідності організації зворотного інформаційного каналу передача цифрових даних здійснюється на значні відстані також за допомогою модему. Потім відбувається перетворення інформації з дискретної (цифрової) форми в аналогову за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Розділ інформації по каналах здійснює демультиплексор (ДМС) (в данній структурі - аналоговий) сигналів. Подальшу фільтрацію високочастотних складових >f_в здійснює аналоговий фільтр. Сигнал x(t) підсилюється підсилювачем потужності і управляє роботою виконавчого органа (ВО). Загальне управління роботою всіх елементів АЦІ знову ж здійснює схема управління (СУ), що може бути побудована на основі мікропроцесора.

 

Контрольні запитання

 

1 Що Ви знаєте про інтерфейс користувача?

2 Чим відрізняється графі́чний інтерфейс користувача від текстового інтерфейсу?

3 Коли вперше була запропонована концепція графі́чного інтерфейса користувача?

 

 

Лекція № 21