Методические указания

Одновременно с этим можно показать, что МПНК последовательного действия обеспечивает повышение информационной эффективности использования собственно ПНК в связи с уменьшением избыточности преобразуемых сигналов за счет приближения их к равновероятному закону распределения. Из рис.5.12а видно, что при опросе одного и того же датчика каждый последующий уровень будет отличаться от предыдущего не более чем на величину шага квантования S . Это указывает на сильную корреляцию уровней сигналов одного и того же датчика, а, следовательно, и на большую информаци-

онно-статистическую избыточность ϕ (H ). При многоканальном же режиме

работы ПНК с увеличением числа каналов распределение сигналов опрашиваемых датчиков будет приближаться к равновероятному распределению,

вследствие чего и избыточность ϕ (H )будет стремиться к нулю, т.е.

ϕ(H )ПНК =klim→∞ ∑k ϕ (H )i =0.

i=1

ВМПНК параллельного действия, в соответствии с рис.5.12б формирование

кодовых эквивалентов происходит для всех каналов одновременно. При этом выражения, характеризующие быстродействие i-го канала МПНК, будут иметь вид:

или в общем случае:

Из сопоставления выражений 5.10 и 5.15 видно, что в МПНК последовательного действия пропускная способность i-го канала с увеличением числа ка-

86

налов уменьшается, а в МПНК параллельного действия пропускная способность i-го канала от числа каналов не зависит.

Что касается конструктивного выигрыша, он существенно зависит от используемого принципа преобразования канальных сигналов.

Возможности многоканального преобразования амплитуды напряжения переменного тока в двоичный код.

Всистемах управления производственными процессами и объектами с использованием ЦВМ в настоящее время получили широкое применение датчики напряжения постоянного и переменного тока, сигналы которых необходимо преобразовать в двоичный код. Количество датчиков напряжения переменного тока в некоторых системах составляет 70 - 80%. В этой связи и возникла задача кодирования амплитуды напряжения переменного тока.

Одним из вариантов преобразования амплитуды напряжения переменного тока в двоичный код является выпрямление напряжения с последующим кодированием его посредством ПНК напряжения постоянного тока.

Отрицательными моментами такого варианта являются: а) потеря точности в результате выпрямления; б) ограничение быстродействия временем, необходимым для выпрямления напряжения, т.е. несколькими периодами входного напряжения.

Вторым вариантом решения поставленной задачи является непосредственное кодирование амплитуды напряжения переменного тока за счет ее уравновешивания напряжением постоянного тока. В этом случае можно получить за один период два отсчета.

Недостатками этого варианта являются: а) малая рабочая зона преобразования, требующего высокого быстродействия ПНК, поскольку кодирование необходимо производить в зоне изменения амплитуды, не превышающей величины шага квантования; б) несоответствие кода амплитуде напряжения переменного тока при наличии гармонических составляющих.

Третьим вариантом является уравновешивание амплитуды напряжения переменного тока эталонным напряжением переменного тока по компенсационной схеме при питании датчика и формирователя эталонного напряжения ПНК от одного и того же источника напряжения.

Вэтом случае обеспечивается:

а) преобразование в двоичный код относительной (нормированной) амплитуды напряжения переменного тока; б) устранение влияния нестабильности источника опорного напряжения на точность кодирования; в) устранение дополнительной погрешности, возникающей за счет выпрямления переменного напряжения; г) уменьшение влияния гармонических составляющих на точность кодирования; д) повышение быстродействия до нескольких отсчетов в пределах одного периода входного (опорного) напряжения; е) возможность многоканального кодирования нормированных огибающих синфазных на-

87

пряжений различных датчиков а пределах каждого из полупериодов переменного опорного напряжения.

88

6. Сбор, распределение и хранение информации.

6.1. Исходные положения.

Сбор и распределение информации — пространственно-временная коммутация входных и выходных сигналов блоков и узлов ИВС, обеспечивающая реализацию заданного алгоритма обработки и использования потоков входной, промежуточной и выходной информации. Техническая реализация осуществляется посредством коммутирующих устройств.

Управляющим органом сбора и распределения информации в ИВС является программно-распределительное устройство (ПРУ), а исполнительным – коммутирующее устройство (КУ), состоящее из набора ключевых элементов (КЭ).

ПРУ вырабатывает сигналы для управления КУ в соответствии с заданной программой изменения режимов работы и структуры ИВС. Что касается КУ, то они обеспечивают непосредственную передачу непрерывных или дискретных сигналов в зависимости от их назначения.

Одно и то же КУ, независимо от характера передаваемых сигналов, может работать в двух режимах: а) в режиме сбора; б) в режиме распределения коммутируемых сигналов.

Врежиме сбора или совмещения коммутируемых сигналов КУ осуществляет последовательное подключение различных (нескольких) каналов к одному общему каналу, в котором сигналы соответствующих каналов распределены во времени.

Врежиме распределения или разделения коммутируемых сигналов имеет место обратный процесс, в котором сигналы одного (общего) канала поступают в различные каналы.

6.2. Обобщенная структура коммутирующего устройства.

В общем виде процесс сбора и распределения коммутируемых сигналов можно представить в соответствии со структурной схемой рис.6.1 многоканального кодирующего преобразователя (МКП).

Для входного сигнала i-го канала можно записать:

xi =Ciψi()t ,

где Ci — коэффициент, выражающий мгновенное значение входно-

го сигнала i-го канала, а ψi()t — коэффициент, характеризующий

90

физический носитель сигнала, действие которого ограничено во времени.

Если МКП имеет k каналов, то сумму всех канальных сигналов за один цикл опроса всех датчиков (Д) можно представить в виде:

Это выражение описывает работу КУx в режиме совмещения ком-

мутируемых сигналов.

После кодирования канальные сигналы на входе КУ могут быть представлены в виде:

Y = ∑k Ci′ψi′(t),

i=1

где Ci′ и ψi′()t характеризует кодовые эквиваленты, соответствую-

щие входным сигналам i-го канала.

Работу КУy в режиме разделения коммутируемых сигналов в об-

щем случае можно характеризовать условным оператором разделения Пk , который связывает сигналы на входе и выходе КУy . Фи-

зический смысл оператора Пk при временном разделении каналов

определяется временной характеристикой переключателя каналов, которая имеет значения:

При этих условиях операцию линейного разделения входных сигналов по отношению к i-му каналу можно представить в виде:

ПкY = yi()t ,

где yi()t представляет собой кодовый эквивалент на выходе i-го ка-

нала КУy , появившийся в результате воздействия оператора разде-

ления КУ, будет выполнять функции разделения сигналов (кодовых эквивалентов) по каналам, если:

91

Из этого следует, что ПРУ должно обеспечивать подключение i-го канала к общему входному каналу в отведенном промежутке времени.

Необходимость в распределении информации может возникнуть при построении ВУ с переменной структурой, предусматривающей многократное использование вычислительных блоков. В этом случае распределение информации осуществляется посредством КУ, к которым предъявляются высокие требования в отношении точности передачи аналоговых сигналов. Что касается ЦВУ, то при распределении импульсных сигналов, образующих коды и команды, в первую очередь выдвигается требование их надежности. При распределении информации в КВУ сочетаются требования для передачи аналоговых и цифровых сигналов.

С информационной точки зрения КУ также можно рассматривать как канал передачи информации.

Что касается принципов построения и режимов работы программнораспределительных устройств (ПРУ), то в объеме данного пособия отметим лишь то, что в простейшем случае ПРУ может осуществить последовательный циклический или спорадический режим коммутации каналов КУ. Для построения ПРУ могут быть использованы распределители на основе диодных дешифраторов, на основе задержанных одно- и многофазных мультивибраторов и т.п.

В общем случае ПРУ может осуществлять коммутацию источников узлов и блоков ВУ по любой заданной программе.

6.3. Информационные характеристики коммутационных устройств (КУ).

92

Информационная оценка качества функционирования КУ может быть произведена по следующим показателям:

а. По потерям информации из-за воздействия помех. Аналоговые сигналы, передаваемые по каналам КУ, подвергаются воздействию помех, которыми могут быть искажения за счет паразитных параметров КУ: старение элементов, наводки, влияние внешней среды и т.п. В совокупности это случайные величины. Возникающие при этом потери информации в i-ом канале могут быть выражены как::

I(x, y)i = H (x)i −H (x y)i,

где H(x)i — энтропия полезных сигналов; H (x y)i — энтропия

помех.

Потери, возникающие в КУ, имеющем k каналов, будут:

I(x, y)КУ = ∑k H (x)−H x y i .

i =1

Воздействие помех на работу КУ может быть выражено посредством нормированного коэффициента информационной надежности βi в

виде:

βi =1− HH(xxy)i i ,

где последнее выражение справедливо при рассмотрении КУ как модели с основным соединением элементов (каналов).

б. По пропускной способности. Пропускная способность i-го канала КУ может быть определена как

93

в. По информационно-статистической избыточности опроса каналов. Пусть КУ имеет k каналов. В этом случае равновероятного подключения каналов энтропия опроса каналов КУ может быть определена как H0(КУ)=logk .

Если опрос каналов КУ производится в соответствии с вероятностной матрицей:

∑k p(ki )=1,

i =1

то энтропия опроса каналов КУ будет:

H1(КУ)=−∑k p(ki )log p(ki ).

i =1

На основании этого может быть определена информационностатистическая избыточность опроса КУ:

ϕ(КУ)=1− H1((КУ))>0, H0 КУ

что указывает на неравномерный характер обращения к отдельным каналам КУ.

г. По информационно-статистической избыточности коммутируемой информации. Избыточность информации, передаваемой по i-му каналу, может быть выражена как

ϕ(x)i =1− Hr ((x))i , H0 x i

а для КУ в целом

д. По величине энтропии погрешности. Полагаем, что полезные сигналы и погрешности статистически независимы. В этом случае ве-

личину H (x y можно рассматривать как характеристику дезин-

формации из-за погрешности КУ.

94

Тогда в качестве частного показателя качества функционирования КУ можно принять величину:

γ =− H x y =−[H(δ)],

где δ — погрешность КУ, обусловленная всеми возможными причинами.

При равномерном законе распределения погрешности энтропия погрешности будет максимальной, вследствие чего можно принять:

H (δ)=logδпр

где δпр — предельное значение интервала погрешности, в пределах

которого погрешность КУ может принимать значения с вероятностью, равной 1, т.е.

δпр

∫f (δ)dδ =1,

−δпр

где f (δ)— закон распределения погрешности КУ.

Рис.6.1. Обобщенная структура коммутирующего устройства.

Хранение информации — есть кратковременная или долговременная стабилизация физических параметров носителя информации. Хранение информации в аналоговой форме наиболее просто осуществляется для физических параметров, представленных механиче-

95

скими вращениями ϕ или линейными перемещениями L. Хранение параметров вида U−,U~,τ, f ,α и других сопряжено с опреде-

ленными техническими трудностями. Хранение цифровой информации в настоящее время достигнуто с высокими показателями в отношении объема точности и достоверности.

Любое устройство хранения информации или запоминающее устройство (ЗУ) можно рассматривать как канал передачи информации с кратковременной или длительной задержкой. В этом случае мы опять приходим к классической схеме К.Шеннона, применительно к которой ЗУ, как канал передачи, имеет вход и выход. При этом на ЗУ-канал воздействуют помехи. Отмеченное позволяет сделать вывод о том, что все информационные соотношения для канала передачи информации применимы к ЗУ.

6.4. Оценка информационной емкости ЗУ.

Емкость запоминающего устройства можно оценивать количеством информации, которое может быть записано в нем. Так как за единицу количества информации мы приняли двоичную единицу, то общее число двоичных единиц, которое может быть записано, и определит емкость запоминающего устройства. Это же количество двоичных единиц определит количество информации, которое может быть передано из запоминающего устройства по каналам связи, например, в арифметическое устройство.

Пусть имеются: аналоговый датчик напряжения, преобразователь «напряжение - код» (ПНК) и ЗУ. Если использовать ПНК, имеющий разрешающую способность ms для кодирования сигналов датчика с

целью их дальнейшего хранения в ЗУ, то необходимая емкость ЗУ может быть определена следующим образом.

Количество информации, подлежащее хранению в ЗУ при снятии

одного отсчета:

Iхр(1) =logms =n [дв.ед.],

для хранения которых потребуется n двоичных разрядов, т.е. элементов с двумя устойчивыми состояниями.

Количество информации, подлежащее хранению при снятии k от-

счетов:

Iхр(k ) =k Iхр(1) =k n ,

т.е. необходимая емкость ЗУ составит:

VЗУ =k n.

96