В ПГУ смогут улучшить метрологические характеристики приборов, использующихся в медицине, авиастроении, в быту
Версия для печати
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета готовы предложить промышленности новый способ аналого-цифрового преобразования напряжения. Они разработали отечественный продукт, превосходящий по некоторым характеристикам зарубежные аналоги. С этой разработкой любые измерения физических величин станут точнее. Изобретение получит широкое применение в медицине, машиностроении, авиастроении, в быту. Кроме того, схема сборки измерительных модулей, использующихся повсеместно, — проще, технологичнее и дешевле. Об этом сообщило ТАСС.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее аналоговый сигнал от датчиков давления, температуры, перемещения, скорости и так далее, в числовой код. АЦП — важнейший компонент любых систем цифрового управления оборудования в автоматическом промышленном производстве, на транспорте и не только.
«Аналого-цифровые преобразователи — ключевой компонент всех современных технических систем. Они нужны, чтобы цифровое устройство, в качестве которого может выступать компьютер, медицинский монитор и другая техника, могло воспринять аналоговую информацию. Все, что считывается с измерительных устройств, далее обрабатывается цифровой вычислительной машиной. А она понимает только цифры», — пояснил разработчик Андрей Кузьмин.
Отметим, АЦП встроены не только в сложные программно-аппаратные комплексы типа бортовой системы управления самолета, но и в бытовую технику, которой каждый из нас пользуется ежедневно (микроволновые печи, индукционные плиты, электронные весы и так далее).
В настоящее время в мире разработано большое количество различных способов аналого-цифрового преобразования.
«Одна структура АЦП не может удовлетворить все требования во всех областях применения. Где-то требуется высокая помехоустойчивость, где-то максимальное быстродействие, где-то минимальная погрешность преобразования. В портативных устройствах важнейшей характеристикой АЦП становится потребляемая мощность, а в бытовой технике — цена. Но основное противоречие всех видов АЦП — это противоречие между точностью и быстродействием», — рассказал Виктор Баранов.
Научный коллектив ПГУ — д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Информационно-вычислительные системы» Андрей Кузьмин, канд. техн. наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология» Виктор Баранов, канд. техн. наук, доцент кафедры «Информационно-вычислительные системы» Ольга Кузнецова, канд. техн. наук Анастасия Пушкарёва — разработал новый способ аналого-цифрового преобразования напряжения. Исследователи предложили простую и технологичную структуру быстродействующего АЦП.
Аналоговый сигнал в процессе аналого-цифрового преобразования «проходит» три этапа преобразования в числовой код: дискретизацию по времени, квантование по уровню, цифровое кодирование.
Числовое кодирование аналоговой величины позволяет вводить измерительную информацию в цифровое вычислительное устройство. Оно регистрирует, хранит, обрабатывает кодированную информацию. А также представляет ее в удобной форме для передачи и дальнейшего использования.
«Величина, наиболее часто подвергаемая аналого-цифровому преобразованию, — электрическое напряжении. Его преобразование основано на сравнении преобразуемого напряжения с одним или несколькими известными опорными напряжениями», — поделился Виктор Баранов.
Поясним. Опорное напряжение — это известное значение электрического напряжения, с которым сравнивается преобразуемое напряжение. Опорное напряжение имеет постоянную величину. Суть аналого-цифрового преобразования состоит в ответе на простой вопрос: «Преобразуемое напряжение больше или меньше опорного напряжения в данный момент времени?»
При аналого-цифровом преобразовании аналоговый сигнал «разбивается» во времени на моменты сравнения преобразуемого и опорного напряжений через фиксированный временной интервал. Это первый этап преобразования — дискретизация по времени. Значения отсчета, полученные в контрольных точках, округляются до ближайшего уровня квантования (вносится неизбежная погрешность квантования) — квантование по уровню. На выходе АЦП формирует цифровой код, соответствующий аналоговому сигналу.
В существующих аналого-цифровых преобразователях используется разное число уровней опорного напряжения. Общий недостаток параллельных АЦП в том, что они не могут отследить скачок напряжения, происходящий во временном интервале между моментами сравнения напряжений.
В ПГУ теперь всегда могут сказать, на каком участке аналогового сигнала произошел скачок напряжения, превышающий размер кванта АЦП.
«Наш способ позволяет заметить и зафиксировать любой скачок преобразуемого напряжения больше размера кванта мгновенно, так как за каждым опорным уровнем система „следит” отдельно. Поэтому мы претендуем на отсутствие пропусков информации о форме преобразуемого напряжения. Потому что измеряем длительности всех интервалов времени между моментами равенства преобразуемого напряжения и одного из опорных напряжений», — сказал Виктор Баранов.
Полученный цифровой код (номер опорного уровня и код длительности интервала времени) можно использовать сразу для анализа на компьютере. Дополнительной его обработки не требуется.
Способ запатентован. В настоящее время ученые ведут переговоры с пензенскими предприятиями о создании прототипа программно-аппаратного модуля, реализующего разработанный способ аналого-цифрового преобразования.
Изобретение найдет широкое применение в приборостроении, машиностроении, авиастроении, медицинской и бытовой аппаратуре. Технология производства АЦП потенциально проще и дешевле зарубежных аналогов.
Использование нового способа позволит расширить функциональные возможности и улучшить метрологические характеристики многих приборов. В первую очередь: быстродействие цифровых вольтметров, частотомеров, фазометров, измерителей параметров комплексного сопротивления, электрокардиографов, электроэнцефалографов и других.
Изобретение — это результат развития на качественно новом уровне давних идей профессора В. М. Шляндина, профессора Г. П. Шлыкова, профессора Э. К. Шахова и доцента К. В. Сафроновой в области многоуровневого следящего аналого-цифрового преобразования на кафедре «Информационно-измерительная техника» ПГУ. Эта научная школа по разработке аналого-цифровых преобразователей и цифровых измерительных приборов на их основе в вузе была сформирована В. М. Шляндиным более 50 лет назад.
«Изобретение удалось создать благодаря синергетическому эффекту от объединения усилий кафедр „Информационно-измерительная техника и метрология” и „Информационно-вычислительные системы”. С середины 1960-х в нашем вузе работают в этом направлении. Ученики и последователи великих учителей продолжают эту добрую традицию», — подчеркнули Андрей Кузьмин и Виктор Баранов.