Основы проектирования

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

 

Кафедра Информационно-измерительной техники

 

Основы проектирования

Приборов и систем

 

 

конспект лекций

 

 

Уфа 2011

 

Введение. Термины и определения.

Решение задач повышения качества и надежности изделий приборостроения осуществляется в процессе проектирования, когда на основе исследований и расчетов, накопленного опыта и учета прогрессивных технологических процессов, разрабатывают конструкцию прибора или системы, выбирают материалы, определяют наиболее рациональные формы и размеры, решают вопросы точности, надежности.

Необходимо предусматривать защиту проектируемого устройства от внешних воздействий (механических и др.), защиту окружающей среды, включая человека, от нежелательных воздействий со стороны прибора или системы.

Здесь мы столкнулись с понятием «прибор» и «система».

Под приборами понимают устройства, служащие для выполнения функций измерения, контроля, регулирования, управления и т.д.

В соответствии с этим, различают измерительные контрольные, регулирующие, управляющие и др. приборы.

Достаточно широкое распространение имеют измерительные приборы, поэтому рассмотрим их поподробнее, придерживаясь определений ГОСТ 16263-70.

Под измерительным прибором понимается средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

При этом средства измерений называют средства, используемые при измерениях и имеющих нормированные метрологические свойства (характеристики).

Следует еще отметить, что измерительные приборы и измерительные преобразователи вместе взятые называются измерительными устройствами.

Измерительный преобразователь, в отличие от прибора, вырабатывает сигнал в форме, удобной для дальнейшей передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительные приборы делят на аналоговые и цифровые.

В аналоговом приборе показания являются непрерывной функцией измеряемой величины. Из приборов механического типа такими являются практически все приборы линейных измерений (индикаторы, измерительные головки, микрометры и т.д.), а из приборов электрического типа – обычные вольтметры, амперметры, омметры и подобные им приборы.

В цифровых измерительных приборах автоматически вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации и показания этих приборов представляются в цифровой форме.

Рассмотрение прибора (общего типа) можно начать со следующей абстракции, представленной на рисунке.

Схема прибора.

 

Прибор здесь представлен в виде «черного ящика», содержание которого неизвестно.

На вход подается сигнал , а на выходе снимается сигнал .Внутри этого «ящика» можем выделить 3 блока:

· Первичный измерительный преобразователь

· Промежуточный измерительный преобразователь

· Измерительный механизм с отсчетным или регистрирующим устройством.

Структурная схема измерительного прибора.

Первичный измерительный преобразователь является первым, который воспринимает входной сигнал – измеряемую физическую величину. В качестве входных сигналов используются перемещения, измерения давления, силы, температуры и т.д. Первичный преобразователь вырабатывает соответствующий сигнал , который передается на промежуточный преобразователь. При этом в зависимости от типа прибора, сигнал , может быть механического, электрического, пневматического или другого типа.

Промежуточный преобразователь (один или несколько) преобразует сигнал в другой сигнал . Для отсчета или регистрации измеряемой величины служит измерительный механизм, связанный с отсчетным или регистрирующим устройством, который выдает уже выходной сигнал .

 

 

В качестве примера рассмотрим пружинный манометр, кинематическая схема которого представлена на рис.

 

Входным сигналов в манометре является давление, которое подается на первичный преобразователь – трубчатую пружину 1. По мере изменения давления свободный конец трубки совершает перемещение, который подается на промежуточный преобразователь, состоящий из рычага 2, зубчатого сектора 3 и колеса 4. Роль измерительного механизма здесь выполняет стрелки 5 и шкала 6, позволяющие отсчитывать конкретное значение давления. Выходным сигналом в данном случае является перемещение конца стрелки прибора.

Электрические аналоговые приборы:

В – выпрямитель

У – усилитель

М – модулятор.

Согласно ГОСТ 8.009-84 – функция преобразования измерительного преобразователя (или прибора) называется зависимость выходного сигнала преобразователя (прибора) от параметра его входного сигнала.

1 – линейная функция преобразования

2 – нелинейная функция преобразования

Следует отметить, что форма и вид представления функции преобразования зависит от вида режима работы (измерений): статического или динамического.

Статическим режимом работы прибора называется такой режим, при котором выходной сигнал прибора постоянен во времени, а динамическим режимом – режим, при котором выходной сигнал меняется.

При статическом режиме работы функцию преобразования можно представить в виде функциональной зависимости, связывающий входной и выходной сигналы, а при динамическом режиме – дифференциальным уравнением.

Установившимся называется такой режим измерений, при котором форма выходного сигнала ИУ не зависит от точки отсчета времени.

Переходный режим измерений возникает при переходе ИУ из одного стационарного состояния в другое.

При статическом режиме работы функцию преобразования еще называют статической или градуировочной характеристикой прибора.

Качество продукции – совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением (ГОСТ 15467-75). Из этого определения следует, что не все свойства изделия входят в понятие качества, а только те, которые определяются потребностью общества в соответствии с назначением этого изделия.

Понятие «система» как и ряд других системных понятий, в литературе истолковывается неоднозначно. Наиболее полной представляется следующая формулировка:

1. система представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов.

2. она образует особое единство со средой.

3. как правило, любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка.

4. элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, обычно выступают как системы более низкого порядка. Характерной чертой является наличие у всей системы какой-либо общей цели общего назначения.

Измерительная информационная система, которая в соответствии с ГОСТ 8.437-81 представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, 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 реализуется в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК) , технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации)

образцов (СРО). В СТД, САК и СРО измерительная система входит как подсистема.

Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС, обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы получается количественная информация (и только информация), отражающая состояние данного объекта.

При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуации. Это можно достичь, если на ИИС возложить функции самоконтроля, в результате чего ИИС способна осуществить текстовые проверки работоспособности средств системы и тем самым, сохранять метрологические характеристики тракта прохождения входных сигналов, поверять достоверность результатов обработки информации, полученной посредством измерительных преобразований и ее представления.

Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие автоматическую коррекцию своих характеристик – самонастраивающаяся (самокорректирующиеся) системы.

 

3.2. Обобщенная структура ИИС.

 

 

Перечисленные группы ИИС, как правило используют цепочку из аппаратных модулей (измерительных, управляющих, интерфейсных, обрабатывающих).Для объяснения назначения функциональных частей и элементов, входящих в состав ИИС, для описания их взаимосвязи в системе рассмотрим обобщенную структуру ИИС.

 

1 – первичные преобразователи;

2 – преобразователи (промежуточные);

3 – АЦП;

4 – цифровые устройства;

5 – устройства вывода регистрации и отображения информации;

6 – ЦАП;

7 – интерфейсные узлы;

8 – система шин;

9 – устройства управления;

10 – исполнительные устройства;

ИФУ – интерфейсные устройства;

ОИ – объект исследования.

Т.О. 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 состоять 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 аналогово-цифровых преобразователей3, а также аналоговых устройств допускового контроля;

· множество цифровых устройств 4, содержащие формирователи импульсов, преобразователи кодов, коммутаторы, специализированные цифровые вычислительные устройства, устройства памяти, устройства сравнения кодов, каналы цифровой связи, универсальные программируемые вычислительные устройства – микропроцессоры, микро ЭВМ и др.

· группу цифровых устройств вывода, отображения и регистрации 5, которая содержит формирователи кодоимпульсных сигналов, печатающие устройства записи на перфоленту и считывание с перфоленты, накопители 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. Под интерфейсом (сопряжением) понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов ИИС (ГОСТ 15971-74). Устройства подсоединяются к системе сопряжения и объединяются в ИИС по определенным правилам, относящим к физической реализации сопряжений.

Интерфейсные устройства (ИФУ), содержащие подсистемы шин 8, интерфейсные узлы 7 и интерфейсные устройства аналоговых блоков, служащие главным образом для приема командных сигналов и передачи информации о состоянии блоков. Например, через интерфейсные устройства могут передаваться команды на изменение режима работы, на подключение заданной цепи с помощью коммутатора;

· Устройства управления 9, формирующие командную информацию, принимает информацию от функциональных блоков и подает команды на исполнительные устройства 10 для формирования воздействия на объект исследования (ОИ).

 

Общие сведения о проектировании.

Производство изделий – есть изготовление изделий по имеющемуся описанию.

Проектирование – это процесс получения такого описания (описания изделий).

Проектирование начинается при наличии первичного описания, в котором в общем виде сформулированы назначение будущего объекта и требования к его свойствам. Первичное описание обычно представляется в форме технического задания (ТЗ) на проектирование объекта.

Это первичное описание путем выполнения ряда проектных операции и процедур преобразуется в окончательное описание – проектную документацию, несущую в себе всю необходимую информацию для описания объекта.

Уровни проектирования.

Процесс науки и техники неизбежно приводит к появлению все более сложных технических объектов – сложных систем, состоящих из большого количества взаимодействующих элементов. Проектирование сложных систем может занять несколько лет и требует привлечение значительного числа специалистов. Такие сроки часто неприемлемы, т.к. оказываются соизмеримыми с временем морального износа. Поэтому две противоречивые тенденции – усложнение систем и сокращение сроков проектирования делают автоматизацию проектирования сложных систем насущной необходимостью.

При применении систем автоматизированного проектирования (САПР), как в рамках традиционных методов, сохраняется целесообразность использования блочно-иерархического подхода к проектированию. При блочно-иерархическом подходе представления о проектируемой системе расчленяются на иерархические уровни. На высшем уровне используется наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности рассмотрения возрастает, при этом система рассматривается не в целом, а отдельными блоками. Такой подход позволяет на каждом уровне формулировать и решать задачи приемлемой сложности, поддающиеся уяснению и пониманию человеком и решению с помощью имеющихся средств проектирования.

Разбиение на блоки должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.

Преимущества блочно-иерархического подхода состоит в том, что сложная задача большой размерности разбивается на последовательно решаемые группы задач малой размерности, причем внутри группы разные задачи могут решаться параллельно.

При блочно-иерархическом подходе к проектированию на каждом уровне имеются свои представления о системе и элементах. То, что на более высоком k-ом уровне называлось элементом, становится системой на следующем, (k+1) уровне. Часто элементы самого низшего из уровней, на которых ведется рассмотрение, называют базовыми элементами или компонентами.

Например, при проектировании цифровой вычислительной аппаратуры, существует деление на иерархические уровни:

ФК – функциональный комплекс;

ФУС – функциональное устройство;

ФУ – функциональный узел;

ЛЭ – логический элемент (базовый элемент).

 

 

Существующее по ЕСКД деление схем на принципиальные, функциональные, структурные отражает принцип блочно-иерархического проектирования.

Принципиальные схемы определяют полный набор базовых элементов и связей между ними и обычно дают детальное представление о принципах работы изделия.

Функциональные схемы показывают протекание определенных процессов в изделии или его частях, т.н. дают представление о функционировании объекта с учетом только существенных факторов и функциональных частей. Структурные схемы дают наиболее общее представление об объекте, определяя основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи.

Кроме рассмотренных признаков деления объектов существуют и другие: например системы и их элементы по физическим основам устройства и работе делят на механические, гидравлические, пневматические, электрические и др.

Функционирование многих систем не может быть полностью описано в терминах какой-либо одной научно-технической дисциплины, т.к. в них важную роль играют процессы различной физической природы. Эти системы будем называть системами с физически неоднородными элементами.

Примерами таких систем могут быть оптикоэлектронные устройства, исполнительные электродвигатели и т.д.

При анализе подобных систем можно выделить отдельные подсистемы, например механическую, электрическую, тепловую и т.п.

 

Классификация параметров объектов проектирования.

 

Нисходящее проектирование.

 

(проектирование «снизу вверх») характеризуется тем, что решение задач более высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низших уровней. При этом, исходные данные для проектирования представляются в виде технического задания для высшего иерархического уровня. Техническое задание формируется группой экспертов, исходя из имеющегося опыта, и назначения проектируемой системы и корректируется в процессе предварительного проектирования. На всех последующих иерархических уровнях составление ТЗ может быть формализовано и представляет собой задачу преобразования исходного ТЗ на сложную систему в ТЗ на ее элементы.

 

Восходящее проектирование.

 

(проектирование «снизу вверх») - проектирование, при котором вначале разрабатываются элементы, а затем система из этих элементов. Объекты, проектируемые на каждом уровне должны стать таковыми, предназначенными для многих применений. При практическом проектировании сложных систем обычно используются черты как нисходящего, так и восходящего проектирования. Решение при блочно-иерархическом проектировании принимаются в условиях отсутствия полной информации. Следовательно, важная особенность проектирования заключается в итерационном характере (постепенное приближение к заранее поставленному решению).

 

Выходные, внутренние и внешние параметры.

 

Параметр – величина, характеризующая свойства или режим работы объекта (изделия, схемы и т.д.). Среди параметров объекта проектирования следует выделить показатели эффективности, являющиеся количественной оценкой степени соответствия объекта по целевому назначению. Показатели эффективности делят на показатели:

· Производительности;

· Надежности;

· Стоимости;

· Массы;

· Габаритных размеров;

· Точности.

В зависимости то конкретных условий и типов объектов те или иные из показателей имеют решающее значение.

Выходные параметры – показатели качества, по которым можно судить о правильности функционирования системы, т.е. это понятие аналогично понятию «показатель эффективности», но применяется к системам в любом иерархическом уровне.

Выходные параметры зависят как от свойств элементов, так и от особенностей связи элементов друг с другом, определяемой структурной «конфигурацией» системы. Каждый новый способ связи задает новую структуру и приводит к качественным изменениям в работе системы.

Внутренние параметры – параметры элементов.

Внешние параметры – параметры внешней по отношению к объекту среды, оказывающие влияние на его функционирование.

Иными словами, на каждом иерархическом уровне выходные параметры характеризуют свойства системы, а внутренние – свойства элементов. Следует отметить, что при переходе к новому уровню рассмотрения внутренние параметры могут стать выходными, и наоборот.

Типичными примерами внешних параметров могут служить параметры входных сигналов, параметры нагрузки, влажность и температура окружающей среды, уровень радиации, помех и т.п.

Введем обозначения:

- вектор выходных параметров некоторой системы;

- вектор внутренних параметров;

- вектор внешних параметров. Тогда

, (1)

где вид функциональной зависимости определяется структурой системы.

Следует отметить, что существование функции (1) не означает , что она известна проектировщику объекта. В большинстве случаев связь между выходными, внутренними и внешними параметрами известна не в виде явной зависимости Y от X и Q, а задается в алгоритмической форме, например через числовое решение системы уравнений.

 

Стадии проектирования.

 

Проектирование сложных систем начинается с выработки ТЗ и включает в себя стадии предварительного, эскизного, технического и рабочего проектирования.

Стадия предварительного проектирования, или стадия научно-исследовательских работ (НИР), связана с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, технических средств, обоснованием наиболее общих решений; результат – техническое предложение.

На стадии эскизного проектирования, или стадии опытно-конструкторских работ (ОКР), производится детальная проработка возможности построения системы; результат эскизный проект.

На стадиях технического и рабочего проектирования выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений; результаты – технический и рабочий проекты соответственно.

При серийном производстве проектируемых изделий в процесс проектирования входит изготовление опытного образца, по результатам испытания которого вносятся все необходимые изменения в проектную документацию.

Применение САПР характерно для стадий эскизного, технического и рабочего проектирования. Стадия предварительного проектирования это творческий процесс, протекающий в значительной мере по алгоритмам, пока недостаточно выясненным. Конечно, на стадии предварительного проектирования широко применяется вычислительная техника, однако применение ЭВМ здесь по своему характеру больше напоминает область решения научных задач.

 

Этапы проектирования.

Проектная операция – действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается… а) разработка технического задания и технического предложения; б) эскизное проектирование;

Этапы проектирования.

Проектная операция – действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается… а) разработка технического задания и технического предложения; б) эскизное проектирование;

Математические модели и их классификация

 

Требования, предъявляемые к математическим моделям

К математическим моделям предъявляют требования точности, экономичности, универсальности.

Точность математической модели – ее свойство, обращающее степень совпадения, предсказанных с помощью модели значений параметров объекта с истинными значениями этих параметров. Количественная оценка точности модели в большинстве случаев вызывает затруднение по следующим причинам:

1. Реальные объекты, следовательно, и их модели характеризуются не одним, а несколькими параметрами. Отсюда вытекает первоначальный векторный характер оценки, точности и необходимость сопоставления моделей друг с другом.
2. Модели составляют для многократного использования при анализе разных вариантов объекта или даже многих типов объектов определенного класса. Так математическая модель транзистора обычно может применяться при анализе транзисторных схем разных типов с транзисторами разных марок. Поскольку характер проявления тех или иных свойств объекта зависят от особенностей взаимосвязей объекта с внешней средой и другими объектами системы, то и показатели точности отображения этих свойств в модели будут зависеть от конкретных условий функционирования объекта. В результате оценка точным перестает быть однозначной.
3. Истинные значения параметров объекта обычно отождествляют с экспериментально полученными. Однако погрешности эксперимента во многих случаях оказываются соизмеримы с погрешностями математической модели, а иногда и заметно их превышают. Для получения значений, близких к истинным, с помощью более точных математических моделей, чем используемая, требуется наличие такой точности модели, что выполняется не всегда.

Сведение векторной оценки к скалярной обычно осуществляется на основе какой-либо нормы вектора.

Пусть объект характеризуется m выходными параметрами y_j, j=1,2,…,m.

Если в приведенном выше примере выделять такую разность на входе фильтра, причем x_уст делать равной минимально возможному значению выходного сигнала измерительного выпрямителя, получим НИП нестабильности средневыпрямленного значения переменного напряжения.

Для выходного сигнала x_вых рассматриваемого НИП имеем: , (1.2) где - коэффициент преобразования НИП;

- смещение характеристики преобразования НИП.

Наиболее часто требуемая характеристика преобразования НИП должна проходить через начало координат, для чего в (1.2) необходимо иметь x_c=0. Для получения требуемой настройка НИП при номинальных условиях, заключающиеся в устранении смещения x_c и установке требуемого коэффициента преобразования , где - номинальный коэффициент преобразования i-го звена. Следовательно, уравнение номинальной характеристики преобразования имеет вид: (1.3)

При перемещении окружающих условий, например, температура, происходит дополнительное смещение (дрейф) характеристик преобразования НИП, описываемой теперь уравнением (1.2), в котором .

Возникающая при этом абсолютная погрешность преобразования .

Полагая , - относительное изменение k_i, и считая , получаем: (1.4).

Максимальное значение погрешность имеет в случае одинаковых знаков и при .

Обычно НИП характеризуется приведенным значением погрешности, максимальное значение которой с учетом (1.4) определяется выражением: , (1.5)

Первое слагаемое (1.5) представляет собой мультипликативную составляющую приведенной погрешности, второе - аддитивную:

; (1.5а)

Таким образом, наибольшая мультипликативная погрешность равна сумме : аддитивная определяется суммой смещений , взятых с соответствующими весовыми коэффициентами. Так, если закон распределения случайных величин нормальный, причем и равны трем средним квадратическим отклонениям, погрешности и с доверительной вероятностью 99,7%, т.е. также соответствующие трем средним квадратическим отклонениям, не превысят следующих значений: ; (1.5б)

Как видно из (1.5а), (1.5б) относительные изменения коэффициентов и смещения характеристик преобразования в разомкнутых НИП должны быть достаточно малы, что заставляет охватить отдельные звенья таких НИП глубокими ООС, использовать в соответствующих случаях высокостабильные элементы, осуществлять периодическую коррекцию дрейфа и крутизны и т.д.

 

Структурная организация приборов и систем.

Цифровые преобразователи и приборы

В отличие от аналоговых приборов в ЦИП обязательно выполняются следующие операции: · квантование измеряемой величины по уровню; · дискретизация ее по времени;

Структуры и алгоритмы функционирования измерительных систем

В общем виде физическую величину можно описывать непрерывной функцией x(t), изменяющейся по времени t, или непрерывной функцией , изменяющейся по… Измерение непрерывной функции сводится к измерению множества значений… или

Многоточечные измерительные системы.

Структура и состав измерительного канала определяются основными характеристиками тензорезистивных датчиков.  

Мультиплицированные измерительные системы.

В последнее время для построения мультиплицированных измерительных каналов в качестве образцовой меры используются ЦАП с линейно-ступенчато… , , где - образцовое напряжение постоянного тока; - входные импульсы; -…  

Сканирующие измерительные системы.

Восприятие состояния поля осуществляется сканирующим (системным) датчиком, преобразующим изображение исследуемого поля в электрические сигналы. В… В зависимости от способа организации изображения поля измерительные каналы… В зависимости от способа управления процессом восприятия сканирующие элементы подразделяются на 2 группы: пассивные и…

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… САК должна выполнять следующие функции:

Датчики физических величин

Датчик как цепь измерительных преобразователей

Так в настоящее время разработано много различных типов тензорезисторных датчиков. Это датчики для измерения усилий, деформаций, моментов и других… Структурная схема трензорезисторного датчика усилий:

Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлементы с внешним фотоэффектомпредставляют со­бой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные бал­лоны, на внутреннюю поверхность… 10-10...10-7А). При освещении фото­катод под влиянием фотонов света имитирует… Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициен­том газового усиления,…

Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлек­трической величины. В качестве… Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с… Толщиномер.На рис. пред­ставлен принцип действия емко­стного толщиномера, измеряющего толщину ленты 2 из ди­электрика…

Индуктивные преобразователи

Таким образом, у данного преобразователя естественной вход­ной величиной является перемещение сердечника 1, а выходной - изменение индуктивности… Недостатки: функции преобразования нелинейны, аддитив­ные погрешности (например, температурная погрешность,…

Магнитоупругие преобразователи

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (трансформаторного типа). Под действием силы вследствие изме­нения магнитной проницаемости… Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных мате­риалов под влиянием… Существует и обратное явление: ферромагнитное тело, вне­сенное в магнитное поле, изменяет свои размеры, иначе говоря,…

Функции преобразования электрических измерительных цепей датчиков

В параметрических датчиках для измерения неэлектрических величин наибольшее распространение получили две разновидности электрических цепей: цепь… В общем случае сопротивления плеч цепи могут быть как активными, так и… По числу изменяющихся под действием измеряемой величины сопротивлений будем подразделять измерительные цепи на цепи с…

Делитель напряжения с одним рабочим плечом

Пусть под действием измеряемой величины изменяется сопротивление z1. При отсутствии измеряемой величины напряжение, снимаемое с сопротивления z1:

Делитель напряжения с двумя рабочими плечами

 

В этом случае под действием измеряемой величины изменяются оба сопротивления, причем, если одно сопротивление увеличивается, то другое уменьшается.

Пусть сопротивление z₁ увеличилось на z₁ε₁, а сопротивление z₂ уменьшилось на z₂ε₂.

Тогда, аналогично предыдущему, можно найти функцию преобразования делителя напряжения с двумя рабочими плечами в следующем виде:

.

При k ≈ 1, ε₁ << 1 и ε₁ << 1 функция преобразования упрощается:

.

Увеличение выходного сигнала с делителя происходит не за счет увеличения чувствительности делителя, а за счет дополнительного изменения сопротивления z₂ второго плеча.

Мостовая цепь с одним рабочим плечом

Пусть при отсутствии измеряемой величины мостовая цепь находится в равновесии,… .

Мостовая цепь с четырьмя рабочими плечами

В этом случае, если под действием измеряемой величины сопротивления z1 и z4, увеличиваются на z1ε1 и z4ε4 соответственно, а сопротивления… . Выполняя деление числителя и знаменателя на z3z4 и преобразования, получим:

Нормирующие преобразователи

На сегодняшний день одной из основных задач, решаемых электронными устройствами, является измерение различных физических величин. Основа любого… Все нормирующие измерительные преобразователи делятся по конструктивному… - прецизионные делители токов и напряжений

Измерительные преобразователи компенсационного типа

Входными сигналами ИП электрических величин являются чаще всего сигналы напряжения или тока. В случаях входных сигналов напряжения используют два основных вида ООС –…  

Масштабирующие преобразователи тока и напряжения на операционных усилителях

  На входе прибора обычно включают измерительный преобразователь, осуществляющий… Операционный усилитель включенный по схеме инвертора:

Измерительные преобразователи переменного тока

Большими возможностями обладают активные преобразователи средневыпрямленных значений. Схема преобразователя среднего значения напряжения содержит… Масштабирующий преобразователь представляет собой частотно компенсированный…

Типовые схемы построения измерительных преобразователей на основе операционных усилителей.

Интегральные операционные усилители на высоком качестве их изготовления позволяют реализовать большое количество разнообразных измерительных… На рисунках представлены наиболее распространенные схемы включения…  

Способы вывода кодированной

  Индикатор является составным элементом. С его помощью осуществляется передача… Габаритные размеры, масса и надежность различных приборов и систем определяется не столько количеством ИМС, сколько…

Электролюминесцентные индикаторы

  Первой областью конденсатора служит стеклянная пластина 1, с нанесенным на него электропроводящим слоем 4, например…

Жидкокристаллические индикаторы.

Основными достоинствами ЖК–индикаторов являются малая потребляемая мощность (десятки мкВт), возможность работы при высоких уровнях освещенности,… Недостатки, свойственные ЖК–индикаторам, заключается в узком диапазоне рабочих… При проектировании схемы управления жидкокристаллическим индикатором необходимо учитывать его световую инерционность.…

Полупроводниковые индикаторы.

Логическая часть схемы управления СИД-индикаторами отличается от других схем управления семисегметных индикаторов лишь тем, что выходные каскады… Типовая зависимость относительной яркости (относительной яркости при питании…

Накопители информации

Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам: • способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические,… • виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках,…

Накопители на гибких дисках

Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки, шагового двигателя и управляющей… Рабочий двигатель включается тогда, когда в дисковод вставлена дискета.… Рабочие головки служат для чтения и записи информации и располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Поскольку…

Накопители на жестких магнитных дисках

По сравнению с дискетами HDD обладают такими преимуществами: значительно большая емкость, (чтобы сохранить данные объемом 420 Мбайт, требуется один… Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и… • магнитные диски;

Накопители на компакт-дисках

Для решения широкого круга задач информатизации используются следующие оптические накопители информации:

• СD-RОМ (Compact Disc Read Only Memory) — запоминающие устройства только для считывания с них информации;

• СD-WORM (Write Once Read Many) — запоминающее устройство для считывания и однократной записи информации;

• СD-R (CD-Recordable) — запоминающие устройства для считывания и многократной записи информации;

• МО — магнитооптические накопители, на которые возможна многократная запись.

Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель информации, так и для считывания ранее записанных данных, и является, по сути, дела своеобразным носителем информаций.

Приводы СD-RОМ

К числу задач, для решения которых предназначается устройство СD-RОМ, можно отнести: установку и обновление программного обеспечения; поиск… Носителем информации на СD-диске является рельефная подложка, на которую… Хранение данных на СD-дисках, как и на магнитных дисках: организуется в двоичной форме.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте применяются в системах резервного копирования. Резервное копирование данных необходимо, если емкость используемого… В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стримеров) сначала… Наибольшее распространение получили накопители на магнитной ленте QIC-40 и QIC-80 формата МС, емкость которых…

Показатели качества приборов и систем

Дело в том, что современные приборы и системы становятся все более и более сложными. При проектировании приборов и систем ставятся все новые… Раздел науки, занимающийся вопросами изучения и реализации методов… Таком образом, квалиметрия – это научное направление о количественных закономерностях формирования различных…

Системный подход, как основа проектирования

Под проектированием – как известно – понимают комплекс работ по изысканиям, исследованиям, расчетам и конструированию, имеющих целью получения всей… Спроектировать изделие – значит, выбрать наилучшее (частое компромиссное)… Для решения комплексных вопросов проектирования применима единая исследовательская позиция – системный подход.…

Принцип агрегатирования при проектировании приборов и систем

В настоящее время существует государственная система приборов (СГП), которая отражает техническую политику, направленную на удовлетворение основных потребностей технической реализации. Основная идея СГП заключается в том, что при построении приборов и систем используются типовые процессы расчета, конструирования, диагностики, которые могут проводиться на средствах, компонуемых методом агрегатирования. Применение метода ГСП представляет создание сложных устройств из более простых унифицированных изделий методом их наращивания и стыковки.

 

 

 

Выбор интерфейсов измерительных систем

Следовательно, под ФБ понимается совокупность схемных элементов, объединенных электрически и конструктивно в одно устройство, с помощью которого в… Из нескольких простых ФБ может быть построен ФБ более высокого уровня.… Сопряжение ФБ и микропроцессора (МП) в автоматических средствах измерений и контроля осуществляется с помощью…

Проектирование программного обеспечения измерительных систем

Существуют жесткие ограничения на время разработки ПО, поэтому трудно разработать управляющую систему в ручную. Для уменьшения времени разработки… ПО делят на: · Создаваемое разработчиками ЭВМ и ИВК;

Нормируемые метрологические характеристики приборов и систем

Общие положения Под метрологическим обеспечением ПиС понимается комплекс мер, направленных на… Метрологическое обеспечение ИС на стадиях их разработки, производства и эксплуатации решают различные задачи.

Сертификация приборов и систем

Система сертификации – совокупность правил функционирования системы сертификации в целом. К объектам сертификации относятся продукция, услуги, системы качества,… Оценка соответствия – прямое или косвенное определение соблюдения требований, предъявляемых к объекту.

Физические величины и поля. Принципы

  Физическая величина – особенность, свойство, общее в качественном отношении… Примерами физических величин являются масса, длина, плотность, вязкость, показатель преломления, перемещение,…

Взаимодействие преобразователей с внешней средой.

 

В процессе эксплуатации датчики располагают непосредственно на объекте измерения.

Условия эксплуатации на современных объектах измерения весьма разнообразны. Это могут быть лабораторные условия с температурой, давлением и влажностью, колеблющимся в незначительных пределах, могут быть весьма жесткие условия стендовых испытаний реактивного двигателя или же уникальные внешние условия космического полета.

В процессе проектирования обеспечивается устойчивость датчиков к воздействию заданного комплекса внешних условий.

Параметрами основных из влияющих факторов являются : температура, вибрации, уровень акустического давления, пониженное давление, колебания питающего напряжения, электромагнитные поля, агрессивная среда, радиация.

Обобщенная математическая модель измерительного устройства (датчика).

Как правило, датчик может представлять как систему, имеющую несколько входов (рис.), причем на основной вход действует измеряемая величина, а на дополнительные – внешние влияющие факторы.

 

Схема влияния на датчик влияющих величин.

 

Как сама измеряющая величина, так и влияющие факторы случайными функциями времени.

Воздействуя на датчик, влияющие факторы вносят искажения в выходной сигнал датчика. Следовательно, погрешность будет являтся случайной функцией, аргументы которой также случайные функции.

В соответствии с введенным понятием датчика как преобразователя сигналов, поступающий по основному и дополнительным входам, представим функцию преобразования в виде:

,

где - выходной сигнал устройства;

f – оператор преобразования;

- дестабилизирующие факторы в функции от времени t

Оператор преобразования в данном случае не лимитирован никакими ограничениями. Эта самая общая многомерная функция, которая может быть для отдельных аргументов как непрерывной, так и дискретной, связанной как с амплитудой, так и с частотой или кодовой модуляцией сигналов с линейными или нелинейными преобразованиями входных величин.

Этот оператор может быть несколько конкретизирован, если принять во внимание некоторые особенности построения измерительных преобразователей.

Зависимость выходного параметра устройства от входного измеряемого параметра во всех случаях выбирают по возможности близкой к линейной. Линейные операторы преобразования отличаются наиболее высокой инвариантностью процесса преобразования, требуют для своего отображения минимального объема информации, легко реализуются в технических устройствах.

В случае аналогового сигнала на входе и на выходе устройства (т.е. использование амплитудной модуляции) функция преобразования представляет собой уравнение прямой в размерных координатах входного и выходного параметров с добавлением некоторой части, обусловленной имеющейся нелинейностью преобразователя.

В случае использования частотной модуляции, когда входной аналоговый сигнал преобразуется в частоту следовании посылок, функция преобразования может быть представлена аналогично.

Наконец, при использовании кодовой модуляции аналоговых величин каждой комбинации используемого кода может быть приписан определенный порядковый номер, в результате чего функция преобразования представляет собой квазилинейную между непрерывным входным параметром и дискретными уравнениями, каждый из которых соответствует одной из возможных кодовых комбинаций.

Учитывая формальное сходство трех описываемых случаев, дальнейший анализ проводят с использованием следующего вида: , где y(t) - выходной сигнал преобразователя; k – коэффициент чувствительности устройства к измеряемому параметру; f₁ – некоторая функция измеряемого параметра и дестабилизирующих факторов, влияющая на коэффициент преобразования устройства; b – начальный уровень выходного сигнала; f₂ – некоторая отличная от f₁ – функция дестабилизирующих факторов, влияющая на начальный уровень выходного сигнала устройства; φ – некоторая отличительная от f₁ и f₂ функция измеряемого параметра и дестабилизирующих факторов, учитывающая реальную нелинейность преобразователя.

 

Методы повышения точности

 

Растущие требования к точности функции преобразования первичного преобразователя (датчиков) вызывают необходимость изыскания эффективных методов коррекции и стабилизации выходных параметров преобразователей.

После изготовления ПП (датчика) его реальная функция преобразования может отличаться от номинальной вследствие методических и инструментальных погрешностей.

В этом случае возникает задача коррекции реальной функции преобразования, т.е. ее максимального приближения к номинальной функции преобразования. Указанная коррекция может быть осуществлена конструктивными и схемными путями.

В первом случае используют дополнительные регулировочные элементы, с помощью которых можно воздействовать на аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности.

 

 

Общие сведения о преобразователях.

Цифроаналоговые и аналогово-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП) в цифровой измерительной технике рассматриваются как один из видов средств измерений, имеющих нормируемые метрологические характеристики. В отличие от цифровых измерительных приборов выходной сигнал ЦАП и АЦП не может непосредственно восприниматься наблюдателем.

 

Коды, используемые в ЦАП и АЦП.

Кодирование чисел производится, как правило, в позиционной системе счисления. При кодировании чисел натуральным (обычным) двоичным кодом каждому… ,

Основные параметры ЦАП и АЦП.

Характеристики статической точности ЦАП и АЦП. ЦА преобразование свободно от методической погрешности. В то время как АЦ…

Классификация ЦАП и АЦП.

В основу классификации ЦАП и АЦП могут быть положены различные критерии и признаки. Поэтому существуют классификации преобразователей по принципу действия, по роду входного сигнала АЦП, по виду входного кода для ЦАП, быстродействию, конструктивно- технологическому исполнению.

· По принципу действия

В зависимости от того, преобразуется цифровой код непосредственно в аналоговую величину или вначале преобразуется в промежуточный сигнал с последующим преобразованием в выходную аналоговую величину, различают ЦАП с непосредственным и промежуточным преобразованием. ЦАП с непосредственным преобразованием в зависимости от алгоритма обработки разрядов входного кода можно разделить на параллельные и последовательные.

Подавляющее большинство серийно выпускаемых ЦАП в настоящее время - параллельного действия. В таких ЦАП входной код – параллельный, выходной сигнал формируется путем суммирования или деления напряжений и токов с помощью резистивных схем и переключателей токов и напряжений.

В последовательных ЦАП входной последовательных код преобразуется в выходной аналоговый сигнал

Существуют последовательно-параллельные ЦАП, основанные на сочетании принципов параллельного и последовательного преобразований.

Существующие методы преобразования, используемые в АЦП:

В параллельных АЦП квантование входного сигнала осуществляется с помощью набора сравнивающих устройств (компараторов), включенных параллельно источнику сигнала. В каждом компараторе он сравнивается с опорным сигналом, снимаемым с узлов резистивного делителя. Выходные сигналы компараторов кодируются набором логических схем, вырабатывающих выходной параллельный двоичный код.

Последовательные АЦП имеют несколько разновидностей в зависимости тот способа приближения квантованной величины к преобразуемой величине.

Последовательно-параллельные АЦП по существу являются комбинированными преобразователями, которые представляют определенный компромисс между громоздкостью параллельных и недостаточным быстродействием последовательных АЦП.

АЦП с промежуточным преобразованием промежуточная аналоговая величина достаточно легко поддается квантовании и дискретизации.

· По динамическим характеристикам

Различают сверхскоростные, высокоскоростные, скоростные, среднескоростные, медленные преобразователи.

· По конструктивному признаку

Модульныепредставляют собой сборки дискретных компонентов и индивидуальных микросхем в индивидуальных корпусах.

Гибридные преобразователи содержат интегральные микросхемы и тонкопленочные компоненты, которые соединяются на керамической подложке с помощью проводов и соединительных шин, полученных металлизацией. Эта технология позволяет объединить в одном корпусе микросхемы различных типов.

В монолитных интегральных ЦАП и АЦП активные и пассивные компоненты этих схем формируются в тонком слое кремниевой пластины различными способами полупроводниковой технологии

 

 

Цифроаналоговые преобразователи.

 

ЦАП предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения. Другой пример такого преобразования – получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом.

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления - интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности – максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Существуют различные принципы построения ЦАП.

Рассмотрим наиболее используемые из них. На рис. Приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

 

 

Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1….S4 (при этом ). - опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП – инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один из ключей S1, то , что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах.

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1….S4. Токи ключей S1….S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют равный «вес»). Это и определяет название схемы.

Из вышеизложенного следует , что

,

т.е. ,

где , i=1,2,3,4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схем проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

Рассмотрим ЦАП на основе реактивной матрицы R-2R (матрицы постоянного сопротивления)

 

 

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S1….S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут тогда и только тогда, когда все ключи S1….S4 подключены к общей точке. Во выходной цепи использованы резисторы с двумя различными значениями сопротивлений.

Из анализа схемы можно увидеть, что для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1….S4. Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каждый из ключей S1….S4 подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «а»…… «d» в2 раза больше, чем предыдущий. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения в указанных точках определяются следующим образом: ). Допустим , что состояние ключей изменилось. Тогда напряжения на точках «а»…… «d» не изменятся, т.к. напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что:

,

т.е. ,

где , i=1,2,3,4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В таблице приведены параметры некоторых ЦАП.

Тип схемы	Число разрядов	, мкс	,В	,В/А	, мА
К594ПА1		3,5	911	(515)/2,5-15/3,5
К1108ПА1		0,4	2,210,5	+5/15-16/46
К572ПА1А			-17+17	(517)/2
К575ПА2А			-15+15	5/2 15/2	0,8

 

 

Аналого-цифровые преобразователи.

 

АЦП – это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т.е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рисунке.

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т.е максимальная погрешность квантования равна 0,5h (h- шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов - количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может выработать АЦП. Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность , т.е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования - интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления его на выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие:

· Параллельного преобразования аналоговой величины

· Последовательного преобразования.

 

АЦП с последовательным преобразованием.

 

Рассмотрим конкретный вариант АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала (последовательного счета), который называют АЦП со следящей связью.

 

В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе и на выходе ЦАП – U. Если входное напряжение больше напряжения u на выходе, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

 

АЦП импульсного преобразования.

СС – схема сравнения, ГИ – генератор импульсов, КЛ – электронный ключ, СЧ – счетчик импульсов.  

Требования предъявляемые к устройствам отображения и регистрации информации

Основные характеристики, в соответствии с которыми предъявляются требования к СОИ: Быстродействие СОИ характеризует максимально быстрый темп приема, отображения… Точность воспроизведения информации СОИ должна быть не ниже точности обработки ее техническими средствами,…