Многоканальные широкодиапазонные модули ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ

• Автор: Володин, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 177 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
В системах автоматического управления, контроля и регулирования, а также в системах автоматизации научных исследований значительная часть необходимой информации поступает в аналоговой форме и имеется необходимость ее обработки цифровыми методами.
Обработка аналоговых сигналов цифровыми методами аппаратно поддерживается устройствами аналогоцифрового преобразования. Наиболее широко применяются в технике датчики с выходными сигналами в виде постоянных напряжений и соответствующие аналогоцифровые преобразователи постоянных напряжений в двоичный код.
В то же время перспективным является использование частотных датчиков физических величин, благодаря ряду преимуществ их выходных частотных сигналов помехоустойчивости, простоте и высокой точности преобразования частоты в код 1,4,5,,,.
Этим объясняется постоянный интерес к разработке частотных датчиков физических величин. В настоящее время частотные датчики используются для преобразования широкого спектра различных физических величин давлений линейных и угловых перемещений расходов механических усилий и деформаций толщины и уровней температуры удельных сопротивлений и проводимостей материалов вибраций скоростей вращения и ускорений и других 1,3,,,, ,,,.
Широкая область применения частотных датчиков объясняется их следующими достоинствами

малыми относительными погрешностями

высоким быстродействием

высокой помехоустойчивостью выходных частотных сигналов

простотой преобразования частотных сигналов в двоичный код.

В современных системах автоматического управления, регулирования, контроля информация поступает одновременно от большого числа датчиков
ВВЕДЕНИЕ
различных физических величин. В этом случае сбор и преобразование информации выполняются с помощью модулей ввода данных в ЭВМ. К модулям ввода данных в ЭВМ предъявляются высокие требования по точности, быстродействию, помехозащищенности, универсальности, экономичности, малым габаритам и др ,,,,.
В диссертации исследуется проблема создания универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Принципы построения и отдельные структуры подобных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ описаны в 6,7,,,,,,.
В рассмотрен модуль ввода данных в ЭВМ, содержащий коммутатор п частотных сигналов, п параллельно работающих преобразователей частота код, коммутатор результатов их преобразований, блок интерфейса и логического управления, буфер хранения результатов преобразований. Предлагаемый в метод преобразования обеспечивает невысокое быстродействие, ограниченное временем преобразования сигнала наименьшей частоты. Верхний предел рабочего диапазона преобразуемых частот тах принципиально ограничивается сверху числом входов п и максимальной частотой коммутации кт тахкп2п. Так, например, приь,1Мгц и п8 получаемтахЬ2Ги,.
В рассмотрен модуль ввода, содержащий микроЭВМ с программным таймером и параллельным портом ввода 8и частотных сигналов, 8 формирователей прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду входного сигнала. В модуле выполняются параллельные прямые преобразования частот импульсов. В рабочем диапазоне 0Гц частоты сигналов преобразуются в двоичный код с максимальной относительной погрешностью 0,1 за время, равное мс. Недостатками модуля являются невысокое быстродействие и узкий диапазон преобразуемых в двоичный код частот.
Предложенный в модуль ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ включает шесть идентичных параллельно работающих преобразователей частотакод, блок селекции адресов и дешифрации команд, схему арбитража запросов на обслуживание и маскировки прерываний ЭВМ. На высоких частотах используется прямой метод преобразования частоты, на низких частотах косвенный метод
ВВЕДЕНИЕ
преобразования в двоичный код периода импульсов. Рабочий диапазон преобразований составляет 0, Гц 1 МГц, относительная погрешность не превышает 0,. Однако, время преобразования достаточно велико на частотах свыше 1кГц оно составляет 2с.
Рассмотренным модулям ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ присущи следующие существенные недостатки ограниченный диапазон
преобразуемых частот и или невысокое быстродействие и или низкая точность и или невысокая помехоустойчивость преобразования частоты импульсного сигнала в двоичный код.
В диссертации предлагается решение этой проблемы. Проводятся исследования путей построения универсальных широкодиапазонных иомехозащищенных высокоточных многоканальных модулей ввода в ЭВМ частотных импульсных сигналов, снимаемых с выходов частотных датчиков различных физических величин. Разработка подобных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ позволит сократить номенклатуру, снизить стоимость разработки и изготовления модулей ввода данных, время решения научнотехнических задач, сократить время обработки и передачи в ЭВМ информации, снимаемой с выходов частотных датчиков, повысить точность преобразования.
Для дальнейшего исследования в диссертации выбраны наиболее перспективные методы многосигнальных преобразований частота код. Показано, что необходимые широкий рабочий диапазон, точность, быстродействие модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ обеспечивают следующие методы преобразования метод параллельных преобразований, метод зависимого счета и метод адаптивных преобразований. В диссертации разрабатываются и исследуются структурные схемы универсальных широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, в которых используются некоторые из этих методов. Исследуются точность, быстродействие, ограничения на достижимый рабочий диапазон широкодиапазонных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ.
Актуальность


ЭВМ, основанного на предложенном модифицированном методе зависимого счета. ЭВМ, в котором применяется предлагаемый метод преобразований приводится описание алгоритмов текущей и начальной адаптации модуля ввода данных. ЭВМ, основанного на предложенном модифицированном адаптивном методе. ЭВМ и существующих аналогичных модулей ввода данных. В заключении сформулированы основные результаты диссертации. Глава 1. ГЛАВА 1. Первая глава состоит из четырех параграфов. В первом параграфе проведен обзор частотных датчиков и первичных преобразователей с частотным выходом, выпускаемых в настоящее время в России и странах СНГ, широко применяющихся в системах автоматического управления, контроля, системах автоматизации научных исследований. Оцениваются перспективы и актуальность исследования и разработки широкодиапазонных универсальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ, осуществляется рациональный выбор рабочих диапазонов исследуемых широкодиапазонных универсальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Во втором параграфе проводится обзор методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный код. Оценивается состояние области широкодиапазонных преобразований частотных импульсных сигналов в двоичный код выявляются достоинства и недостатки известных методов преобразования частотных импульсных сигналов в двоичный кол с целью последующего выбора наиболее перспективных методов преобразования. В третьем параграфе проводится сравнительный анализ методов преобразования частоты в двоичный код с целью выбора наиболее перспективных методов преобразования для дальнейшей разработки и исследования путей построения широкодиапазонных универсальных модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. В четвертом параграфе проведен обзор известных принципов построения и структур модулей ввода частотных импульсных сигналов в ЭВМ. Глава 1. ЭВМ. Этими достоинствами объясняется постоянный интерес к разработке частотных датчиков физических величин. В настоящее время частотные датчики используются для преобразования широкого спектра различных физических величин давлений линейных и угловых перемещений расходов механических усилий и деформаций толщин и уровней температуры удельных сопротивлений и проводимостей материалов вибраций скоростей вращения и ускорений и других 1,3,,,,,,,. Основными интересующими нас техническими характеристиками датчиков являются
Глава 1. В табл. России и странах СНГ частотных датчиков и их основные технические характеристики. Многие из частотных датчиков находятся в стадии разработки. С каждым годом семейство частотных датчиков постоянно пополняется новыми экземплярами, связанными с постановкой новых измерительных задач, использованием новых технологий и перспективных физических эффектов. Например, одним из перспективных направлений является использование принципа замедляющих систем ,,,. В предложена конструкция датчика механических величин зазоров, деформаций, перемещений, основанного на принципе замедляющих систем и влиянии на их функцию преобразования расположенной вблизи датчика металлической поверхности. С помощью этого принципа выполняются также бесконтактные измерения амплитуды механических вибраций, давления и усилия. На основе зависимости коэффициента замедления от геометрических размеров замедляющей системы работают частотные датчики контроля уровня жидких сред и бесконтактного контроля диаметров металлических и диэлектрических деталей и отверстий. Для экологического контроля водных стоков гальванического производства в предложено два варианта частотных датчиков с использованием цилиндрических спиралей для контроля удельной проводимости воды. Аналогичные конструкции используются для контроля концентрации, фазового состояния электролитов, проводящих и криогенных жидкостей, сплошности потока жидкости или плотности газа и их расхода. Предложенные датчики используют физические и конструктивные особенности чувствительных элементов, построенных на замедляющих системах. Диапазон частот выходных сигналов этих преобразователей простирается до сотен МГц.