Электромагнитные преобразователи

преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа – это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.

Индукционные преобразователи
Это генераторные преобразователи постоянного тока. Для преобразования механического перемещения в электрический сигнал используется явление электромагнитной индукции – наведение ЭДС в электрическом контуре, связанном с изменяющимся магнитным потоком.

Наведение ЭДС происходит независимо от причин изменения магнитного потока

ЭДС индукции возникает и тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Это используется в датчиках скорости.

Выходные напряжения таких датчиков пропорционально скорости вибрации подвижной части, если необходимо получить напряжение, пропорциональное амплитуде вибраций или ускорению, то выходное

напряжение необходимо подвергнуть интегрированию или дифференцирова-нию. Чувствительность датчика может быть увеличена за счет увеличения индукции и числа витков. , где ^ В – индукция в зазоре; l – длина витка перемещений обмотки; w – число витков; V – скорость перемещения витка, м / с.

Датчики скорости создают управляющие сигналы в зависимости от скорости. Более широкое распространение в машиностроении получили описанные ниже датчики.

Тахогенераторы служат для измерения частоты вращения. В зависимости от рода тока различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока разделяют по способу возбуждения на тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. Напряжение на зажимах якоря пропорционально частоте вращения вала якоря, т.е.
В простейшем случае датчик состоит из катушки с обмоткой, сердечника из магнитомягкого железа и магнита. Эти три компонента составляют статор датчика. Со статором взаимодействует ротор в виде зубчатого диска или зубчатой рейки с количеством зубцов, определяемым условиями применения датчика

При вращении ротора, в обмотке статора возникает переменное напряжение. Когда один из зубцов ротора приближается к обмотке, напряжение в ней быстро возрастает и, при совпадении со средней линией обмотки, достигает максимума, затем, при удалении зуба, быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума. На приводимом графике (рис.2) отчетливо видна большая крутизна изменения напряжения, поэтому переход между двумя максимумами может быть использован для управления электронными системами.

Величина напряжения, вырабатываемого датчиком, зависит от частоты вращения ротора, числа витков катушки и величины магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом. Поскольку две последние величины постоянны, величина индуцируемого напряжения достигает максимума при максимальной частоте вращения.

Ротометр (тахометр). В датчике частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис.4) статор датчика укреплен на кожухе маховика или на заглушке смотрового лючка - в непосредственной близости от зубчатого венца маховика. Прибор обеспечивает наиболее точное определение частоты вращения без вторжения в цепи системы зажигания.

Билет 97. Классификация и структурные схемы иис

) Измерительная система (ИС) — совокупность определенным образом соединенных между собой линиями связи средств измерений (измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, измерительных приборов) и других технических устройств (компонентов измерительной системы), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерений и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых числом или кодом) в общем случае изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих определенные свойства (состояние) объекта измерений. Измерительные системы обладают основными признаками средств измерений и являются их специфической разновидностью/3/. Основными областями применения собственно измерительных систем являются научные исследования, испытания различных объектов, учетные операции, и др.

Однако не для всякой ИИС требуется присутствие всех блоков. Для каждой

конкретной системы количество блоков, состав функций и связи между блоками

устанавливаются условиями проектирования.

Огромное поле при приложении ИИС представляют комплексные испытание машин, конструкций, приборов, оборудования. Испытание таких конструкций, как суда, летательные аппараты, двигатели, требуют создания сложных технических средств в целях получения необходимой, главным образом измерительной, информации.

Медицина оснащается современными ИИС, позволяющими получать и оценивать ряд физиологических и психофизических параметров человека. Можно предполагать, что количество ИИС, применяемых в медицине, будет резко возрастать.

Структура ИИС

Д-датчики

ВЦ-выходные цепи

ПС-преобразование сигналов

МУХ-мультиплексор

МК-микроконтроллер(ВБ-вычислителный блок)

УС-устройство святи

МК-шина коле бровки

ЦСАУ-цифровая САУ

БИ-блок інтерфейс

ПУ-панель управления

В соответствии с предметом дисциплины из всего состава функциональных устройств ИИС, образующих информационный тракт системы, рассмотрим только те, которые осуществляют функции сбора, предварительной обработки, представления, передачи и обработки информации.Блок-схема ИИС представлена на рис. 1.1. На вход системы поступает в общем случае аналоговый сигнал S(t), сформированный информационным устройством (или датчиком), являющимся источником данных. Сигнал S(t) рассматривается как реализация случайного процесса, основные модели которых изучались в курсе “Цифровая обработка сигналов”. Цепь преобразования данных одного устройства (или датчика) в многоканальной системе образует измерительный канал.

В блоке подготовки сигнал подвергается предварительной аналоговой обработке – согласование, усиление (приведение амплитуды к динамическому диапазону устройства выборки и хранения – УВХ), полосовая фильтрация (ограничение полосы частот сигналов для корректной оцифровки).

Поскольку подсистема обработки в ИИС является цифровой системой, то каждый сигнал подвергается процедуре аналого-цифрового преобразования в модуле АЦП.Последовательность отсчетов от различных измерительных каналов объединяется в общий поток для последующего ввода в компьютер или передачи по каналу связи.В ряде случаев могут применяться устройства сжатия данных (либо сжатие осуществляется после ввода данных в компьютер – программные методы сжатия).Состав и последовательность расположения функциональных устройств в различных ИИС может отличаться от приведенной в блок-схеме, но характерным является наличие данных устройств как типовых в системах различного назначения и технического воплощения.

Подсистема передачи включает кодер и декодер канала связи, передающее и приемное устройства и собственно канал связи (сре­да с антенными устройствами).Кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое кодирование и декодирование сигналов с целью дополнительной защиты передаваемых сообщений от помех в канале связи и могут отсутствовать при наличии качественного канала.

Восстановление исходного аналогового сообщения по цифровым отсчетам с допустимой погрешностью производится на приемной стороне.В современных системах восстановление непрерывного сообщения, как правило, не выполняется, поскольку регистрация, хранение и обработка информации выполняются в цифровом виде, но принципиальная возможность восстановления предусматривается.

Рис. 1.1. Обобщенная блок-схема информационно-измерительного комплекса

Одна из задач подсистемы цифровой обработки, которая выполняется с использованием ресурсов компьютера и специализированных процессоров цифровой обработки – сортировка информации и отбраковка аномальных результатов наблюдений.Отбраковка является частным случаем более общей задачи – фильтрации сигналов от помех или использования методов распознавания образов.Другими задачами подсистемы обработки являются:

· предварительная обработка данных (сглаживание, удаление тренда);

· статистическая обработка сигналов (применяются различные алгоритмы в зависимости от назначения ИИС);

· спектральная обработка (разные методы в зависимости от назначения ИИС);

· формирование моделей процессов и явлений;

· представление результатов предварительной обработки или анализа;

· хранение данных.

Перечисленные задачи решаются в ИИС следующего назначения:

· измерительные системы в “чистом виде” – мониторинг, диагностика, контроль, научные исследования, системы реального времени;

· мультимедийные комплексы – информационные услуги, презентации, обучение, игры;

· коммерческие системы ввода-вывода видео – справочные системы, реклама, просмотр и хранение видеофрагментов;

· геоинформационные системы.

Билет 98/ Кодирование информации в иис

Передача цифровой информации с целью сокращения числа сигнальных линий требует ее представления в виде последовательного кода, характеристики которой зависят от конкретной системы. В процессорных системах линии связи обычно выполняются в виде витой пары проводов коаксиального кабеля, либо оптического световода.В зависимости от расстояния данные, передаваемые по линии могут однократно или многократно подвергаться ретрансляции с целью восстановления амплитуды и временных характеристик.

Алгоритм работы передатчика, приемника и ретранслятора определяется выбранным кодом для передачи по линии.

Простейший код – NRZ, в котором единица кодируется некоторым напряжением, а 0 – отсутствие напряжения. (про ИИС смотреть в предыдущем билете)

Билет 99/ Преобразование непрерывных величин в цифр код. + про АЦП

Процесспреобразования непрерывных величин в цифровые носит название кодирование; обратный процесс преобразования цифровых данных в непрерывные называется декодированием. Иногда под общим термином кодирование подразумевают оба названных выше процесса

Припреобразованиях непрерывных величин в соответствующие им цифровые эквиваленты преимущественно пользуются циклическим двоичным кодом.

В результатепреобразования непрерывной величины, представленной в виде напряжения постоянного тока, в декадах электронного счетчика будет зафиксировано число, пропорциональное преобразуемому напряжению.

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код

1) Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку

2) Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).

Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного двоичного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 %, в 5-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/243 от полного диапазона сигнала, то есть 0,412 %, в 8-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/6561, то есть 0,015 %.

Ошибки квантования

Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранён ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчёте находится в пределах от нуля до половины МЗР.

Как правило, амплитуда входного сигнала много больше, чем МЗР. В этом случае ошибка квантования не коррелирована с сигналом и имеет равномерное распределение. Её среднеквадратическое значение совпадает с среднеквадратичным отклонением распределения, которое равно . В случае 8-битного АЦП это составит 0,113 % от полного диапазона сигнала.

Нелинейность

Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика (в указанном выше смысле) отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путём калибровки.

Важным параметром, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL).

3) частота дискретизации

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения (УВХ). УВХ, как правило, хранит входное напряжение на конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем содержат встроенное УВХ.

Билет 100 АЦП поразрядного взвешивания