Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

Кафедра технической кибернетики

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему:

«Обработка данных в автоматизированных системах»

(альбом документов)

Севастополь

2006

2. ЗАДАНИЕ

на курсовой проект (работу) студента

Тема проекта (работы) Обработка данных в автоматизированных системах

Срок сдачи студентом законченного проекта (работы)

Исходные данные проекта (работы): внутреннее сопротивление датчика Rи = 100 (Ом); выходное напряжение датчика Uс = 2.5 (mВ), эффективное значение синфазной помехи Uсф = 1,1 (В), частота АЦП f = 500 (Гц), разрешение по частоте b = 5 (Гц), период дискретизации Т=0.002 (с), максимальная погрешность синфазной помехи =20%.

Содержание расчетно-пояснительной записки (список вопросов, которые подлежат разработке)

1. Разработка технического обеспечения: расчет информационно-измерительного канала автоматизированной системы, состоящего из дифференциального усилителя и активного фильтра, по исходным данным. 2. Разработка методического обеспечения: краткие теоретические сведения. 3. Разработка программного обеспечения: алгоритм и программа оценивания спектральной плотности.

Список графического материала (с точными определениями обязательных чертежей) схема электрическая принципиальная измерительного канала, схема алгоритма работы основной программы.

2. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

№п/п	Название этапов курсового проекта (работа)	Срок выполнения этапов проекта (работы)	Пометки
1	Разработка технического обеспечения
2	Расчет предварительного усилителя
3	Расчет активного фильтра
4	Разработка методического обеспечения
5	Разработка прикладного программного обеспечения
6	Оформление пояснительной записки
7	Защита курсового проекта

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. 1. Техническое обеспечение

1.1 Расчет информационно-измерительного канала САУ

2. Методическое обеспечение

2.1 Описание модели АЦП

2.2 Спектральный анализ на основе преобразования Фурье

3. Разработка прикладного программного обеспечения

3.1 Общие сведения

3.2 Описание используемых модулей

3.3 Руководство пользователя

3.4 Описание функций

3.5 Тестирование ПО

Заключение

Библиографический список

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проекта является разработка технического и программного обеспечения автоматизированной системы научных исследований (АСНИ).

АСНИ предназначена для спектрального анализа данных, поступающих от первичных преобразователей физических величин, характеризующих некоторый технологический процесс. В состав АСНИ входят следующие подсистемы:

• подсистема измерений – информационно-измерительный канал (ИИК);

• подсистема передачи данных;

• подсистема обработки данных;

• подсистема визуализации и документирования результатов.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение - код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Современный этап характеризуется массовым использованием больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью.

Включение АЦП единым, функционально законченным блоком упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

2. 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Подсистема сбора данных состоит из нескольких информационно-измерительных каналов и каналов управления (если система активного типа). Подсистему сбора данных (ПСД) в ряде случаев компонуют в виде подсистемы УСО.

Рисунок 1.1 – Подсистема сбора данных

УК – управляющий канал;

ИИК – информационно-измерительный канал;

МПС – микропроцессорная система;

У
К содержит:

Рисунок 1.2 – Управляющий канал

НУ – нормирующий усилитель;

Д – датчик;

ДУ – дифференциальный усилитель;

Датчик предназначен для преобразования физических величин в аналоговые: сигнал – напряжение (или ток).

Дифференциальный усилитель предназначен для решения двух задач: подавление синфазной помехи и усиление сигнала от датчика.

Коэффициент подавления синфазного сигнала:

(1.1)

Подавление синфазной помехи зависит от качества операционного усилителя. Значение Кос приводится в паспортных данных и зависит от навесных элементов (от разброса их номинальных значений).

ФНЧ. В электрических, радиотехнических и телемеханических установках часто решается задача: из совокупного сигнала, занимающего широкую полосу частот, выделить один или несколько составляющих сигналов с более узкой полосой. Сигналы заданной полосы выделяют при помощи частотных электрических фильтров.

К частотным электрическим фильтрам различной аппаратуры предъявляются разные, порой противоречивые требования. В одной области частот, которая называется полосой пропускания, сигналы не должны ослабляться, а в другой, называемой полосой задерживания, ослабление сигналов не должно быть меньше определенного значения. Фильтр считают идеальным, если в полосе пропускания отсутствует ослабление сигналов и фазо-частотная характеристика линейна (нет искажения формы сигналов), а вне полосы пропускания сигналы на выходе фильтра отсутствуют.

В зависимости от диапазона частот, относящихся к полосе пропускания, различают низкочастотные, высокочастотные, полосовые, полосно-подавляющие, избирательные (селективные) и заграждающие (режекторные) фильтры. Свойства линейных фильтров могут быть описаны передаточной функцией, которая равна отношению изображений по Лапласу выходного и входного сигналов фильтра. ФНЧ предотвращает попадание высокочастотных помех.

Фильтр низких частот применяется как противомаскировочный (противоподменный) фильтр для исключения эффекта подмены, так как предстоит дискретизация аналогового сигнала с частотой f_АЦП, то задача заключается в предотвращении эффекта подмены. Ошибки дискретизации проявляются в возможности проявления эффектов подмены частот.

Параметры АЦП: частота Найквиста и частота дискретизации:

	(1.2)
	(1.3)

где Т – период дискретизации.

Эффект подмены частот возникает в том случае, когда fmax, которая находится в спектре исследуемого сигнала, fmax > F.

Если эффект подмены частот имеет место, то полученную выборку в виде цифровых отсчётов можем пропустить через цифровой фильтр высоких частот.

Для того чтобы предотвратить проявление эффекта подмены частот, необходимо перед АЦП поставить фильтр нижних частот, частота среза которого равнялась бы частоте Найквиста.

1.1 Расчет информационно-измерительного канала САУ

• Дифференциальный измерительный усилитель:

В простейшем случае в качестве измерительного усилителя может быть использован ОУ в дифференциальном включении (рисунок 1.3). При выполнении условия R1/R2=R3/R4 усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала и коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) будет максимальным.

Рисунок 1.3 - Схема простейшего измерительного усилителя

Uc.max = 2.5 мВ – выходное напряжение датчика;

Uсф = 1.1 В – эффективное значение синфазной помехи;

= 5% – допустимый процент подавления (максимальная погрешность) синфазной помехи;

Rc = 100 Ом – внутреннее сопротивление датчика;

Если КООС = 15000 (и выше) по найденному значению выбирают тип операционного усилителя. Требуемый коэффициент ослабления синфазной помехи:

	(1.4)
	(1.5)

Если не удается найти, то задача решается на 3-х операционных усилителях.

Определяется минимальный допустимый коэффициент усиления дифференциального сигнала:

(1.6)

определяется из следующих соображений: если резисторы имеют допуск:

	(1.7)
	(1.8)
	(1.9)

Выбираем = 0,01

(1.10)

Для наилучшего согласования датчика с усилителем принимаем сопротивление датчика равным входному сопротивлению:

	(1.11)
	(1.12)

Находим сопротивление обратной связи:

(1.13)

В качестве операционного усилителя DA принимаем K140УД9, который имеет коэффициент подавления синфазного сигнала не менее 80 дБ.

• Фильтры нижних частот:

Схема простейшего фильтра нижних частот приведена на рисунке 1.1.2. Передаточная функция этого фильтра определяется выражением:

(1.14)

Рисунок 1.4 - Простейший фильтр нижних частот первого порядка

Заменив s на , получим частотную характеристику фильтра. Для реализации общего подхода целесообразно нормировать комплексную переменную s. Положим

(1.15)

где – круговая частота среза фильтра. В частотной области этому соответствует

(1.16)

Частота среза фильтра на рисунке 1.4 равна:

(1.17)

отсюда получим

(1.18)