ОИИС лекция. Принцип сочетания системности и агрегирования
 Скачать 4.66 Mb.
|
|
Число 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Множитель 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 0 16 15 0 , 16 i i i i a a Z Цифро–аналоговые преобразователи Цифро-аналоговый преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины. Входной сигнал ЦАП можно представить в виде двоичного кода , где равны либо 0, либо 1.Выходной сигнал ЦАП пропорционален десятичному значению двоичного числа B и, следовательно, его можно представить в виде: где V - коэффициент пропорциональности. Обычно для работы ЦАП требуется источник опорного напряжения . Следовательно, , где - константа. Цифро–аналоговые преобразователи ЦАП можно представить в следующем виде Признаки, по которым могут быть классифицированы ЦАП, базируются на реализуемом методе преобразования: - устройства, реализующие метод многократного суммирования одного эталона; - устройства, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов. Цифро–аналоговые преобразователи ЦАП, реализующие метод многократного суммирования одного эталона, используют при работе единственный эталон, число повторений (суммирований) которого определяется значением входного единичного кода. Этот код подается на вход ЦАП в последовательной форме. ЦАП, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов, имеют число эталонов, равное разрядности входного кода. Причем значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициентов используемого кода. Входной код подается на вход таких ЦАП в параллельной форме. Методы преобразования непрерывных величин в код Частотно-импульсный метод При измерении длины отрезка Х, если нет отрезков единичной длины, а есть большой отрезок известной длины А, то отрезок Х вкладывается в отрезок А. Число вложений подсчитывается . Метод характеризуется последовательным счетом повторяющейся измеряемой величины и используется, если измеряемая величина преобразована в частоту следования импульсов. Методы преобразования непрерывных величин в код Времяимпульсный метод Реализует преобразование входной величины в длительность временного интервала. Его геометрическая интерпретация следующая: отрезок единичной длины (квант) вкладывается в отрезок неизвестной длины Х. Количество полных вложенных квантов подсчитывается. Метод характеризуется последовательным счетом повторяющейся единичной меры. Неучтенная часть отрезка входит в погрешность дискретизации АЦП. Методы преобразования непрерывных величин в код Кодоимпульсный метод Для геометрической интерпретации кодоимпульсного метода можно использовать набор отрезков, длины которых соответствуют весовым коэффициентам двоичного кода (2 0 ;2 1 ;2 2 ;2 3 ) и равны q, 2q, 4q, 8q. Метод характеризуется наличием нескольких мер, кратных кванту и относящихся как весовые коэффициенты кода; количеством мер, равных числу разрядов кода; комбинации мер по логической программе сравниваются с измеряемой величиной, приближаясь к ней. Методы преобразования непрерывных величин в код Метод пространственного кодирования Применяется при преобразовании измеряемой величины Х в угловое или линейное перемещение. Метод имеет заранее заготовленные комбинации мер, кратных кванту, т.е. кодовую маску. В столбцах маски чередуются участки, соответствующие различным физическим свойствам, например: проводник – изолятор, прозрачность – непрозрачность. Метод характеризуется наличием кодовой маски и считыванием состояний всех разрядов одновременно. Применяется в пространственных АЦП угловых и линейных перемещений в код. Методы преобразования непрерывных величин в код Метод пространственного кодирования Пример кодовой маски Методы преобразования непрерывных величин в код Метод считывания (параллельный метод) Используется при исследовании электрических сигналов. В нем напряжение постоянного тока сравнивается с рядом постоянных опорных напряжений, количество которых равно количеству квантов. Данный метод обладает принципиально максимальным быстродействием, но и аппаратурной избыточностью. Методы преобразования непрерывных величин в код Параллельные и параллельно-последовательные АЦП Процесс уравновешивания в последовательных АЦП происходит последовательно во времени от старших разрядов к младшим. Для них характерно то, что количество тактов на единицу больше количества разрядов. Методы преобразования непрерывных величин в код Параллельные и параллельно-последовательные АЦП У параллельных АЦП сравнение происходит одновременно во всех разрядах. Этот метод имеет максимальное быстродействие: преобразование происходит в один такт, длительность которого определяется задержками устройств сравнения и преобразования «код – код». Такая структура требует максимальных аппаратурных затрат: количество устройств сравнения, количество уровней опорных сигналов и количество входов преобразователя «код – код» равно числу квантов. Методы преобразования непрерывных величин в код Параллельные и параллельно-последовательные АЦП На практике такая структура используется с числом двоичных разрядов до шести. При большем количестве разрядов применяется решение в виде «параллельно - последовательных» АЦП. В них все двоичные разряды разбиваются на несколько групп. Внутри группы идет параллельное преобразование, но группа за группой работают последовательно. При этом резко уменьшаются аппаратные затраты при незначительной потери быстродействия. Аналого- цифровые преобразователи Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов. В общем виде весь процесс преобразования аналоговой величины в цифровой сигнал можно разделить на четыре операции: - выборка значений исходной аналоговой величины в некоторые наперед заданные дискретные моменты времени, т. е. дискретизация сигнала по времени; - хранение выбранных значений аналоговой величины; - квантование (округление до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени последовательности значений исходной аналоговой величины по уровню; - кодирование, т. е. замена найденных квантованных значений некоторыми числовыми кодами. Аналого- цифровые преобразователи Представление информации Измерительная информация представляется в виде сигналов, являющихся ее носителями. Сигнал есть физическая величина, изменяю щаяся во времени, имеющая хотя бы один параметр, который непосред ственно (либо опосредованно, через другую связанную с ним величину) содержит информацию, и эта инфор мация может быть определена. Ука занные параметры носят название информативных и должны допус кать измерение множества их зна чений. Представление информации Согласно положе ниям теории информации, сигналы могут различаться по их информа тивным параметрам. Схема классификации детерминированных сигналов Представление информации Примеры детерминированных сигналов Формы импульсных сигналов и виды их модуляции Формы импульсных сигналов и виды их модуляции Метрологическое обеспечение ИИС Основные задачи метрологического обеспечения ИИС Метрологическое обеспечение (МО) в первую очередь должно предусматривать: - определение номенклатуры нормируемых метрологических характеристик (НМХ), позволяющих оценить погрешность (неопределенность) результата измерения, и методов оценки НМХ в процессе эксплуатации ИИС; - обеспечение поверки или калибровки. (Поверка обязательна для СИ, используемых в областях, подлежащих Государственному регулированию по обеспечению единства измерений. Калибровка является добровольной для остальных областей применения СИ. С организационной точки зрения все вопросы Государственного регулирования по обеспечению единства измерений (организация и проведение испытаний с целью утверждения типа, сертификационных испытаний, разработка методик поверки или калибровки, аккредитация на право поверки и др.) решаются для ИИС так же, как и для других СИ. Метрологическое обеспечение ИИС Основные задачи метрологического обеспечения ИИС Специфические особенности МО ИИС: 1) Многофункциональность, что приводит к необходимости учета одних и тех же характеристик различных компонентов ИИС при оценке неопределенности результатов решения различных измерительных задач. 2) Наличие вычислительного устройства, реализующего заложенное в него ПМО. Используемые при обработке информации алгоритмы могут приводить к методической погрешности. В связи с этим необходима метрологическая аттестация алгоритмов. При использовании специализированных вычислительных устройств может возникнуть необходимость учета ограниченности их технических возможностей. 3) Многоканальность. Это приводит к необходимости учета взаимного влияния каналов. Кроме того, различные ИК одной ИИС могут быть предназначены для измерения различных физических величин, что приводит к необходимости привязки этих каналов, а следовательно, и всей ИИС, к различным поверочным схемам. Метрологическое обеспечение ИИС Основные задачи метрологического обеспечения ИИС 4) Непрерывная функциональная и конструктивная связь с ИО, что технически и организационно усложняет проведение поверки. Кроме того, необходимо учитывать взаимное влияние первичных ПИП и ИО. В ряде случаев необходимо управлять объектом в процессе измерения (подавать необходимые тестовые воздействия, управлять перемещением и т.д.). 5) Агрегатный способ построения приводит к широкому применению покупных изделий при создании ИИС. MX этих изделий определены в технической документации разработчика (изготовителя). Их изменение как в отношении номенклатуры, так и в отношении конкретных значений показателей сложно. Поэтому иногда приходится производить дополнительные метрологические исследования покупных изделий с целью уточнения этих показателей. 6) Распределение компонентов в пространстве, что усложняет организацию поверки. 7) Возможность изменения состава ИИС в процессе эксплуатации. Это не позволяет при разработке ИИС оценить погрешности результатов решения всех измерительных задач, в которых будет использоваться структура, заранее не известная разработчику. Метрологическое обеспечение ИИС Основные задачи метрологического обеспечения ИИС 8) Сложность описания объектов измерения и их моделирования, что при поэлементной поверке затрудняет применение расчетных методов оценки неопределенности результатов измерения. 9) Наличие динамических режимов измерения. Эта особенность приводит к необходимости нормировать динамические характеристики ИК и при расчете неопределенности результатов измерения учитывать дополнительную динамическую погрешность. Метрологическая аттестация программ и алгоритмов Для ИИС метрологическая аттестация алгоритмов и программ является частью испытаний с целью утверждения типа. Она должна также проводиться при корректировке ПМО, при замене ЭВМ или используемых операционных систем. ПМО состоит из двух компонентов: алгоритмов обработки измерительной информации и программ, реализующих эти алгоритмы. Метрологическая аттестация алгоритмов проводится на этапе разработки ИИС с целью выбора оптимального алгоритма для решения конкретной задачи и гарантии при эксплуатации определенной точности измерений. При метрологической аттестации алгоритмов исследуются три основные группы показателей: - точности (характеризуют точность результатов, полученных с помощью данного алгоритма при полном соответствии входных данных используемой модели); - надежности (характеризуют устойчивость результатов, получаемых в соответствии с данным алгоритмом, к искажению исходных данных, к помехам); - сложности (определяют трудоемкость решения задачи при использовании данного алгоритма (число элементарных операций при обработке данных)). Метрологическая аттестация программ и алгоритмов Под MX программы вычисления подразумевают характеристики тех свойств программы, которые влияют на результат измерения и могут привести к дополнительным потерям измерительной информации. Эти потери обусловлены: - применением приближенных методов вычислений из-за несовершенства методов или алгоритмов; - недостоверностью экспериментальных данных, поступающих на вход вычислительного устройства (так называемая наследственная потеря измерительной информации); - погрешностью округления результатов вычислений. Оценка MX ПМО может быть получена с помощью вычислительных экспериментов, которые можно считать аналогом поверки с помощью эталонной меры или эталонного прибора. Метрологическая аттестация программ и алгоритмов При вычислительном эксперименте с использованием «эталонной меры» на вход вычислительного устройства подают цифровые данные, имитирующие работу ИК. Ожидаемый результат вычислений по этим данным предполагается заранее известным с точностью, превышающей необходимую точность вычислений при эксплуатации. Этот ожидаемый результат (как и значение физической величины, воспроизводимое эталонной мерой) рассчитывается предварительно с помощью более эффективных алгоритмов и технических средств. Качество ПМО характеризуется степенью соответствия этих «эталонных» результатов и результатов вычисления с помощью аттестуемого ПМО. При вычислительном эксперименте в качестве «эталонного прибора» используется машинная имитация, реализующая «идеальный» алгоритм на ЭВМ более высокого уровня. В процессе аттестации одни и те же цифровые данные, метод формирования которых в данном случае не существенен, обрабатываются в соответствии с аттестуемым и «эталонным» алгоритмами. Качество аттестуемого ПМО оценивается по степени соответствия полученных результатов. Метод «эталонного прибора» в силу большей технической и программной сложности используется реже, чем метод «эталонной меры». Метрологические характеристики измерительных каналов В число типовых метрологических характеристик ИК входят следующие показатели: 1) Номинальная функция преобразования ИК . 2) Вид выходного кода, число разрядов и цена младшего разряда кода, поступающего из ИК на вычислительное устройство. 3) Показатели точности и правильности показаний ИК, полученные в результате измерений: а) характеристики неопределенности показаний ИК, обусловленные действием систематических эффектов (чаще всего используются максимально возможные абсолютные значения неопределенности или некоторые эквиваленты стандартного отклонения); б) характеристики неопределенности показаний ИК, обусловленные действием случайных эффектов (используется среднее квадратичное отклонение (СКО) или стандартное отклонение); в) характеристики неопределенности показаний ИК, интегрально учитывающие как систематические, так и случайные составляющие; г) предел допускаемых значений вариаций показаний ИК. x f C ИК x f C ИК Метрологические характеристики измерительных каналов 4) Допускаемое отклонение функции преобразования ИК от номинальной. Этот фактор является одной из составляющих систематической неопределенности. 5) Показатели, характеризующие влияние на неопределенность показаний взаимодействия ИК с ИО. 6) Динамические характеристики, описывающие поведение ИК в неустановившихся режимах. 7) Чувствительность к влияющим величинам, характеризующим условия эксплуатации и другие влияющие факторы. 8) MX, отражающие взаимное влияние ИК (например, перекрестные помехи в каналах связи, изменение напряжения источника питания, общего для измерительных преобразователей разных каналов и др.). 9) Параметры каналов связи. Метрологические характеристики измерительных каналов MX ИК могут быть определены расчетным или экспериментальным путем. Расчетный метод применим в тех случаях, когда ИК полностью формируется из покупных изделий, в технической документации которых содержится вся необходимая информация. При экспериментальном исследовании ИК в каждом конкретном случае потребуются соответствующие СИ и другие технические средства, разработка методик исследований и т. д. При исследовании ИК как единого целого на его вход должны подаваться необходимые тестовые воздействия, и по результатам исследования выходных сигналов могут определяться все необходимые MX. Экспериментальное исследование MX ИК должно проводиться при испытаниях ИИС с целью утверждения типа или при сертификационных испытаниях, если ИИС не входит в сферу Государственного регулирования по обеспечению единства измерений, а также при поверке или калибровке. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС Для ИИС может быть предусмотрена комплектная или поэлементная поверка. При комплектной поверке экспериментально устанавливается соблюдение допускаемых пределов показателей неопределенности, непосредственно интересующих потребителя. При этом отпадает необходимость обязательной метрологической аттестации ПМО при испытаниях с целью утверждения типа, поскольку в ходе апробирования методики поверки получаемая оценка неопределенности будет учитывать и неопределенность, обусловленную ПМО. Комплектная поверка ИИС может проводиться двумя методами: - методом непосредственного измерения; - методом сличения показаний. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС При методе непосредственного измерения в качестве эталона необходимо использовать эталонные меры (аттестованные детали, эталонные сигналы и т. д.), которые по своим характеристикам аналогичны реальным объектам. Измеряемые показатели эталонов должны быть известны с погрешностями в три - пять раз меньшими, чем допускаемые погрешности поверяемой ИИС. Чтобы обеспечить исследование MX ИИС во всех диапазонах измерения, эти меры должны быть многозначными. При методе сличения показаний в качестве эталона должно использоваться СИ, обеспечивающее измерения тех же величин в несколько раз точнее. Кроме того, необходимо вспомогательное средство в виде ИО или его имитатора. Эталон в этом случае может иметь меньшее быстродействие и худшие эргономические свойства, чем поверяемая ИИС, но обеспечение требуемой точности все равно создает экономические и технические проблемы. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС Широкому применению комплектной поверки ИИС препятствуют следующие обстоятельства: 1. Технически и экономически нецелесообразно создание эталонов, которые обеспечили бы поверку для каждой измеряемой величины во всем диапазоне измерения. 2. Для многоцелевых ИИС и гибких ИИС создание эталонов может быть невозможным из-за априорной неопределенности для разработчика всего круга задач, для решения которых будет использоваться создаваемая ИИС. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС При поэлементной поверке указывается номенклатура показателей ИК и требования к значениям этих показателей. При этом на этапе разработки методики поверки должны быть выявлены все показатели, влияющие на неопределенность результата измерения. В данном случае обязательно должна быть предусмотрена метрологическая аттестация алгоритмов обработки измерительной информации с целью оценки величины методической погрешности. В технической документации на ИИС обязательно должна приводиться методика расчета неопределенности результатов измерения по полученным в ходе поэлементной поверки значениям MX. Поэлементная поверка является основной для большинства ИИС и единственно возможной для гибких ИИС. Методика поэлементной поверки должна предусматривать экспериментальное исследование всех MX ИК. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС При поверке общие подходы к экспериментальному исследованию ИК не имеют каких-либо принципиальных особенностей и должны быть закреплены в методике поверки. Предпочтительной является поверка ИК как единого целого. Однако практическая организация поверки ИК эксплуатируемых ИИС сталкивается с техническими и организационными проблемами: - сложность формирования и подачи тестовых воздействий на вход ИК, встроенных в ИИС; - подача внешних воздействий на ИК с целью изучения действия влияющих факторов; - конструктивная сложность демонтажа ИК и его элементов для проведения поверки; - обеспечение необходимыми эталонами. Если поверка ИК как единого целого оказывается нереализуемой, применяют экспериментально-расчетный метод, при котором экспериментально исследуются MX элементов, образующих канал, а затем расчетным путем находятся MX ИК в целом. Методика расчетов должна быть приведена в методике поверки. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС Одна из проблем исследования динамических MX ИК - подача на его вход тестового воздействия. Это воздействие может быть эталонным, или могут использоваться эталонные СИ для его измерения. Во многих случаях при поверке целесообразно разделить ИК на две части: - датчик, преобразующий физическую величину в электрическую; - подсистема преобразования и передачи электрических величин, в которую входят все остальные элементы ИК. В случае, если вторичный преобразователь или его часть объединена с ПИП, то поверку датчика можно проводить как непосредственно на месте эксплуатации с использованием транспортируемых эталонов, так и с его изъятием из ИИС и исследованием в стационарных условиях. Для поверки второй части ИК могут использоваться эталонные тестовые сигналы, выдаваемые переносными или стационарными генераторами. При этом в состав ИК могут быть встроены образцовые генераторы или меры электрических величин, которые могут иметь двойное назначение: использоваться для самоконтроля и самонастройки ИИС и участвовать в процессе поверки ИК. Использование встроенных образцовых элементов, которые можно легко демонтировать и поверять в стационарных условиях, наиболее эффективно устраняет проблему демонтажа ИК эксплуатируемых ИИС. |