|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы ГЛАВА Г. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ Практически все реально существующие физические явления можно представить в виде аналоговых сигналов. В любой момент времени в них содержится отличная от нуля информация, поскольку сигнал непрерывен во времени. Кроме того, аналоговый сигнал обладает непрерывно изменяющейся амплитудой, которая во времени может иметь бесконечно большое число значений. Обычно изменения ана логовых сигналов, какова бы ни была их исходная физическая природа, преобразуются первичными датчиками в изменения напряжения или тока. Это необходимо, чтобы воспользоваться развитым аппаратом электронного приборостроения, воспринимающим, как правило, для дальнейшей обработки только информацию, выраженную в изменениях напряжения или тока. Для этих электрических величин, получаемых на выходах первичных датчиков в результате прямых измерений физических явлений, переменными параметрами являются не только изменения амплитуды напряжения и тока, но также частота и скважность этих изменений. Описанию основных понятий и подходов к обработке информации, представленной изменениями амплитудных и временных параметров аналоговых сигналов, и посвящена эта глава. Аналоговые сигналы могут обрабатываться непосредственно или требовать промежуточного преобразования с помощью описываемых в остальных главах узлов электронной аппаратуры. • " 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ Информация может быть представлена не только в непрерывной, но и в дискретной форме. Дискретная форма представления информации положена в основу цифровых систем обработки сигналов. Цифровые сигналы характеризуются наличием (отсутствием) высокого (низкого) уровня напряжения на выходе (входе) логической схемы. В современной аппаратуре цифровой обработки информации практически все используемые цифровые сигналы являются двоичными. Любой двоичный сигнал представляет собой единицу (бит) информации, поскольку имеет одно из двух состояний. При ответе на двоичный вопрос «да» или «нет» формируется дискретный сигнал ответа - лог. 1 или лог. О, соответствующий высокому или низкому уровню напряжения. Ци-фровые сигналы могут объединяться в группы, называемые словами и формируемые одновременно (параллельно) или последовательно сигнал за сигналом. Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации. Процесс перехода от непрерывного по амплитуде или временным параметрам аналогового сигнала к дискретному называется дискретизацией, или квантованием. Минимальное значение разности между двумя уровнями дискретизации называется квантом. Наряду с квантованием по амплитуде можно выполнить квантование по времени, под которым подразумевается замена непрерывного во времени сигнала его дискретным эквивалентом. В этом случае сведения о значении непрерывного сигнала поступают не постоянно, а в определенные моменты времени. Например, два цифровых слова 10000000 и 01 НИ И при значении кванта дискретизации, равном 10 мВ, соответствуют напряжениям двух ближайших значений аналогового сигнала 1280 и 1270 мВ. В последнее десятилетие центральным узлом систем обработки информации стали цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ), у которых входные, промежуточные и выходные, сигналы представлены в цифровой форме. Поэтому для перехода от аналоговых сигналов к цифровым стали широко использоваться различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые обеспечивают сопряжение датчика аналогового сигнала с цифровой ЭВМ. Прежде чем аналоговый сигнал попадет на АЦП, может потребоваться его предварительная обработка. Разнообразные операции над аналоговыми сигналами осуществляются с помощью аналоговых микросхем- усилителей (ОУ), перемножителей напряжений, компараторов, таймеров и др. Эти микросхемы позволяют выполнить любые математические операции над аналоговым сигналом. Однако при обработке аналоговых сигналов с помощью аналоговых микросхем вносится погрешность. Другими словами, на выходе любого аналогового узла уменьшается количество информации о входном сигнале. Вместе с тем с помощью аналоговых микросхем можно обрабатывать сигналы в реальном масштабе времени,т. е. с минимальной задержкой между моментом подачи входного сигнала и получением результата обработки на выходе. Современные аналоговые микросхемы позволяют выполнить любую математическую операцию над аналоговым сигналом за время, примерно равное 1 мкс, с погрешностью 1 мВ. АЦП обеспечивают, квантование непрерывного сигнала как по уровню, так и по времени. Необходимость квантования по уровню обусловлена самой природой представления сигналов в цифровой форме. Объясняется это тем, что при любом большом, но конечном числе градаций, принятом для представления непрерывного сигнала, неизбежна приблизительность. Одной из причин необходимости квантования по времени в АЦП является то, что для осуществления заданного цикла вычислений требуется определенное время, так как только после получения результата вычислений можно делать новую выборку входного сигнала [1]. Введенная в ЭВМ.с помощью АЦП информация обрабатывается обычно в нереальном масштабе времени из-за сравнительно низкого быстродействия при выполнении математических операций над сигналами. Задержки между моментами ввода информации в ЭВМ и получения результата обработки могут лежагь в диапазоне от сотен микросекунд до сотен часов. Это зависит от типа ЭВМ и математической операции. При цифровой обработке информации аппаратурные и энергетические затраты существенно больше, чем при аналоговой. Вместе с тем цифровой метод обработки информации обладает принципиальным преимуществом перед аналоговым, которое состоит в том, что от операции к операции происходит значительно меньшее увеличение погрешности обработки информации. Потери информации минимальны при одинаковой разрядности всех узлов ЭВМ и обусловлены в основном воздействием помех и переполнением регистров [2, 3]. После выполнения в ЭВМ требуемого объема операций по обработке информации получается результирующее цифровое слово. Это слово определяет величину воздействия на исполнительные устройства. Поскольку органы управления объектом обычно воспринимают не цифровые, а аналоговые сигналы, то необходимо преобразовать выходной код ЭВМ в непрерывный сигнал. Эту задачу выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Прежде чем попасть на исполнительные устройства, аналоговые сигналы после ЦАП, как правило, обрабатываются с помощью аналоговых устройств (например, активных фильтров, усилителей мощности и др.) [4]. Таким образом, для решения большинства задач, возникающих при создании современной микроэлектронной аппаратуры, необходимо совместное использование аналоговых и цифровых методов обработки сигналов. К таким задачам относятся не только управление объектами, но и математическое моделирование сложных динамических систем, обработка результатов экспериментов в реальном масштабе времени, обработка сигналов в замкнутой петле систем автоматического контроля и управления процессами, вывод данных из ЭВМ на графопостроители и т. д. В перечисленных случаях такие математические операции, как усиление, логарифмирование, суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, можно выполнить и с помощью аналоговых микросхем, и с помощью цифровой ЭВМ. Достоинством аналоговых методов обработки сигналов является высокое быстродействие вычислений, осуществляемых в реальном масштабе време- 0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 |