автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка аналоговых интерфейсов систем управления и контроля

Введение 4 Раздел 1. Современные аналоговые интерфейсы систем управления и контроля

1.1 Типы аналоговых интерфейсов и факторы, определяющие их параметры

1.2 Проблемы фильтрации сигналов первичных преобразователей

1.3 Особенности решения задачи выбора частоты дискретизации

1.4 Цели и задачи исследования 42 Раздел 2. Исследование и модернизация итерационного алгоритма расчета частоты дискретизации.

2.1 Обзор существующих алгоритмов расчета частоты дискретизации

2.2 Выбор вариантов аппроксимации огибающих спектров

2.3 Синтез итерационного алгоритма по расчету частоты дискретизации

2.4 Исследования по оценке максимальных производных реальных сигналов

2.5 Разработка прикладной программы по расчету частоты дискретизации

2.6 Выводы по разделу 74 Раздел 3. Оценка предельных характеристик аналоговых интерфейсов

3.1 Выбор условия постановки фильтра

3.2 Оценка влияния суммарной погрешности преобразования аналогового интерфейса на выбор частоты дискретизации

3.3 Выводы по разделу 90 Раздел 4. Исследование интерфейсов цифровых датчиков

4.1 Современные методы проектирования цифровых фильтров

4.2 Синтез децимарных рекурсивных КИХ-фильтров с неперестраи-ваемыми ФНЧ

4.2.1. Разработка структуры фильтра

4.2.2. Оптимизация фильтра

4.3 Исследование методов перестройки фильтров

4.3.1 Особенности БИХ-фильтров

4.3.2 Особенности нерекурсивных КИХ- фильтров

4.3.3 Об использовании рекурсивных КИХ- фильтров

4.3.4 Реализация фильтров с управляемой частотой среза на простейших КИХ- фильтрах с прямоугольной КИХ

4.3.5 Разработка фильтров на основе каскадно-параллельной комбинации звеньев с прямоугольной КИХ

4.3.6 Применение конечно-разностных рекурсивных КИХ-фильтров

4.3.7 Применение рекурсивных КИХ-фильтров с АЧХ типа ФНЧ

4.3.8 Плавное регулирование частоты среза фильтра

4.4 Выводы по разделу 123 Заключение 125 Литература 127 Приложение

В структурной схеме системы управления и контроля произвольным объектом можно выделить четыре основные части: 1) устройство преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму; 2) цифровое устройство обработки информации; 3) устройство восстановления аналоговой информации; 4) устройство связи с исполнительными механизмами или устройствами индикации. Третья и четвертая части иногда могут быть объединены. Такая структурная схема определяется тем, что параметры реальных объектов имеют непрерывную природу, а алгоритмы обработки лучше всего реализовывать в цифровом виде. Устройства преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму, устройства восстановления аналоговой информации и весь комплекс связанных с этим вопросов (выбор частоты дискретизации, выбор восстанавливающего полинома, формирование программы опроса датчиков, синхронизация по циклу и такту) часто объединяют одним общим названием -аналоговый интерфейс. Аппаратная часть аналогового интерфейса состоит из унифицирующих преобразователей, аналоговых фильтров, аналоговых мультиплексоров (коммутаторов), аналоговых запоминающих устройств, аналого-цифровых преобразователей, устройств восстановления. За последние 20-30 лет устройства цифровой обработки информации в виде компьютеров, контроллеров, схем цифровой обработки сигналов резко (на один - два порядка) улучшили свои основные параметры, такие как скорость обработки, точность обработки, а также габаритные размеры. Но аналоговые интерфейсы за это время не улучшили существенным образом свои характеристики. Эта ситуация определяет повышенное внимание зарубежных и отечественных исследователей к улучшению параметров аналоговых интерфейсов, повышению их предельных характеристик. Достаточно сказать, что стоимость аналогового интерфейса часто превышает стоимость устройства цифровой обработки, а результаты исследования в области аналогового интерфейса ведущими фирмами, как правило, не афишируются.

Большой вклад в развитие теории и практики аналоговых интерфейсов внесли отечественные и зарубежные исследователи, среди которых можно отметить^], [2], [3], [4], [5], [6], [7] Котельникова В.А., Цикина И.А., Ланнэ А.А., Алексенко А.Г., Хоровица П., Хилла У., Орнатского П.П., Гутникова B.C., Ги-тиса Э.И., Кондалева А.И., Смолова В.Б., Стахова А.П., Поллака Х.О., Куфлев-ского Е.И., Самойлова Л.К., Яковлева В.П., Анисимова В.И. и др.

Несмотря на большую историю развития теории аналоговых интерфейсов, целый ряд вопросов требует дальнейшего исследования и уточнения в свете общего повышения параметров систем управления и обработки информации. В последние десятилетие появились аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с разрядностью преобразования в 13-15 дв. единиц, которые определяют погрешность преобразования в десятые и сотые доли процента. Из теории погрешностей известно, что оптимальной следует считать систему, у которой все звенья имеют примерно одинаковые погрешности. Существующая методика определения погрешности дискретизации-восстановления или определяющую ее частоту дискретизации не удовлетворяет этим условиям. По мнению некоторых авторов [6], погрешность выбора частоты дискретизации может достигать сотен процентов. В современной практике расчета параметров аналоговых интерфейсов (АИ) существуют два подхода к выбору частоты дискретизации:

- с точки зрения удовлетворения условиям погрешности наложения спектров;

- с точки зрения погрешности восстановления информации.

Эти два подхода существуют самостоятельно, а учет дополнительных факторов производится эмпирическими поправочными коэффициентами, что дает существенную погрешность.

Традиционно постановка аналогового фильтра в АИ для ограничения и фиксации спектра считается обязательной. При больших погрешностях преобразования такая постановка вопроса справедлива. Но, как показывает практика расчета параметров АИ при малых значениях погрешностей, эффект от применения аналогового фильтра может быть отрицательным при комплексной оценке параметров АИ. Это требует установления границ целесообразности постановки аналоговых фильтров с учетом того, что, как правило, аналоговые фильтры часто являются самыми дорогими и самыми «капризными» узлами АИ.

Предельные параметры АИ могут быть улучшены только при одновременном улучшении параметров входящих в него узлов. Оценка потенциальных возможностей существующих АИ и определение путей их развития является важной задачей исследования АИ.

Цифровые датчики имеют на выходе цифровой код, минуя промежуточные преобразования, что является их несомненным преимуществом. Но в то же самое время это порождает целый ряд проблем ограничения спектра и выбора рабочей частоты таких датчиков.

Целью настоящей работы является рассмотрение теоретических вопросов, возникающих при обеспечении основных параметров современных аналоговых интерфейсов, а также исследование современных схемотехнических решений для аналоговых интерфейсов с цифровыми датчиками.

При проведении исследований использовались методы теории сигналов, спектрального анализа, теории частотной фильтрации и оценки технически сложных систем.

Автором выносится на защиту: модернизированный итерационный алгоритм выбора частоты дискретизации; методика определения максимальных производных сигналов; предельные оценки параметров аналоговых интерфейсов; структуры АИ цифровых датчиков.

Практическая ценность работы заключается в модернизации прикладной программы по расчету частоты дискретизации, возможности обоснованного выбора пути комплексного улучшения параметров аналогового интерфейса и разработке интерфейсов цифровых датчиков.

Результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции «Компьютерные технологии в науке, проектирование и производстве» г. Нижний Новгород, 1999г; Международной научно- практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» г. Новочеркасск, 2000 год; Второй и Третьей Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» г. Таганрог, 1999 и 2000 годы; Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» г. Таганрог, 2000 г.; Всероссийской научной конференции «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности КомТех - 2001» г. Таганрог 2001 г.

По результатам диссертации опубликованы три статьи и десять тезисов докладов.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения.

Основные результаты диссертации следующие:

1. В диссертации показано, что на современном этапе развития элементной базы и повышения точности обработки сигналов нельзя брать в качестве постулата конечность спектра сигнала и производить дискретизацию сигнала без учета метода восстановления.

2. Проведенный анализ алгоритмов определения максимальных производных сигналов показал, что в общем случае максимальные производные не зависят от граничной частоты и могут быть рассчитаны по огибающей спектральной плотности с помощью введенной в работе функции спектра. Для сигналов, спектры которых описываются АЧХ фильтра Баттерворта, возможно получение аналитического выражения для максимальных производных.

3. Получение такого результата позволило предложить модернизацию итерационного алгоритма, которая, с одной стороны, упрощает его, а с другой, вводит новую процедуру определения максимальной производной. Модернизация позволяет существенно уточнить значение частоты дискретизации.

4. В диссертации показано, что инструментальная погрешность при аппаратном восстановлении резко увеличивается с ростом степени аппроксимирующего полинома, что чаще всего делает нецелесообразным снижение методической погрешности восстановления за счет роста степени аппроксимирующего полинома.

5. Получены условия оценки целесообразности постановки фильтра в аналоговом интерфейсе, которая может быть оценена с помощью модернизированной прикладной программы путем качественного сравнения степени уменьшения частоты дискретизации.

126

6. Сделан вывод о том, что современные параметры аналоговых фильтров делают нецелесообразным применение в аналоговых интерфейсах АЦП с разрядностью более 11-12 разрядов.

7. Показано, что основным элементом интерфейса цифровых датчиков являются децимарные фильтры.

8. Предложены структуры децимарных фильтров, которые позволяют относительно легко программировать частоту дискретизации выходного сигнала и частоту среза ФНЧ и тем самым обеспечивают пользователю возможность выбора оптимального варианта интерфейса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Гитис Э.И. Пискулов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. Учебное пособие для вузов.-М.:Энергоиздат 1981.-360 с.

2. Цикин И.А Дискретно-аналоговая обработка сигналов.-М.:Радио и связь, 1982. -160 с.

3. Хурчин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М. :Наука, 1971 -408.

4. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях Т1, Т2.-М.:Мир, 1983

5. СибортУ.М. Цепи, сигналы, системы. Т1,Т2-М.:Мир, 1988.

6. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Учеб. Для вузов -4е изд.-Киев:Виша школа, 1980.-560 с.

7. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы.-М:Энергоатомиздат 1985.-439 с.

8. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г., Корн Т.-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

9. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах. Пер. с англ.-4-е изд. перераб. и доп.- М.: Мир, 1993. ил.

10. Lancaster D. 1979. Active filter cookbook. Indianapolis: Howard W. Sams & Co.

11. Zverev A.I. 1967. Handbook of filter synthesis. New York: Wiley.

12. Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии.-M.: Энергия, 1973.-592 с.

13. Самойлов JI.K., Палазиенко А.А. Белякова M.J1. Выбор частоты временной дискретизации сигналов при вводе аналоговой информации в ЭВМ. Известия ВУЗов. "Электроника" №5, 1998г.

14. Самойлов JI.K., Мальцев C.JI. Предельные оценки аналоговых интерфейсов систем цифровой обработки информации //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения". Таганрог, 1999. С. 45.

15. Самойлов Л.К., Мальцев С.Л. Основные ограничения применения шлейфо-вых измерительных систем //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения". Таганрог, 1999. С. 46.

16. Турулин И.И., Мальцев С.Л. Унифицирующие преобразователи цифровых датчиков //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения". Таганрог, 2000. С. 54-55.

17. Самойлов Л.К., Мальцев С.Л. Предельные оценки аналоговых интерфейсов систем цифровой обработки сигналов //Известия ТРТУ. Таганрог, 2000. №3. С. 92-97.

18. Самойлов Л.К., Мальцев С.Л. Дискретизация сигналов цифровых датчиков //Известия ТРТУ. Таганрог, 2000. №3. С. 90-92.

19. Мальцев С.Л. Оценка максимальных производных сигналов по огибающей спектра //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". Таганрог, 2000. С. 240-241.

20. Самойлов Л.К., Турулин И.И., Мальцев С.Л. Оптимизация децимарных фильтров цифровых датчиков //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности КомТех-2001". Таганрог.

21. Самойлов JT.К., Турулин И.И., Мальцев С.Л. Использование рекурсивных КИХ-фильтров в цифровых датчиках //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности КомТех-2001". Таганрог.

22. Мальцев С.Л. Аппроксимация огибающих спектров сигналов при программном расчете частоты дискретизации //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики". Новочеркасск, 2001.

23. Самойлов Л.К., Турулин И.И., Мальцев С.Л. Применение рекурсивных КИХ-фильтров в интегральных датчиках //Тез. докл. всерос. науч. конф. "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики". Новочеркасск, 2001.

24. Самойлов Л. К. и др Дискретизация сигналов по времени. Монография. Изд-во ТРТУ, Таганрог, 2000 г.84с.

25. Рабинер Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигна-лов.М.: Мир, 1978.

26. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. М.: Мир, 1982.

27. Нуссмбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток / Пер. с англ. под ред. В.М.Амербаева, Т.Э.Кренкеля. М.: Радио и связь, 1985.

28. Турулин И.И. Расчет и применение быстродействующих цифровых рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой: Монография. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999.

29. Марпл С.Л.-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Под ред. И.С.Рыжакова. М.: Мир, 1990.

30. Офис: г. Москва, Авиационный пер. д. 5, корп. 3, оф. 315; йфакс: 152-5241, Я 155-0656,155-0677;1. Актвнедрения результатов кандидатской диссертации С. JT. Мальцева «Исследование и разработка аналоговых интерфейсов систем управления и контроля».

31. Настоящий акт не является основанием для получения вознаграждения

32. Ген. директор Е. М. Полянский1. Э.пИн10. 06. 2001г.1. Утверждаю1. Актвнедрения результатов кандидатской диссертации С. Л. Мальцева «Исследование и разработка аналоговых интерфейсов систем управления и контроля».

33. Настоящий акт не является основанием для получения вознаграждения1. Начальник отдела

34. Ю. М. Гончаров. 20. 10. 2001г.