《2022年《测控技术与仪器专业英语》张凤登UNIT--真实世界的信号处理-参考译文及练习答案 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年《测控技术与仪器专业英语》张凤登UNIT--真实世界的信号处理-参考译文及练习答案 .pdf（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、55UNIT 12 真实世界的信号处理参考译文 :12.1 A/D 和 D/A 转换基于数字计算机的工业控制器的共同特点之一，是能够使用A/D 和 D/A 转换器实现与模拟设备的连接， 这些转换器有时设计在控制器内。在计算机的输入端，测量过程提供模拟形式的电信号。这种信号被数字化为二进制串，然后输入到控制器的数字处理器和存储器。在输出端，驱动执行器的信号由二进制数字输出进行控制，这些数字输出通过D/A 转换器转换为模拟信号。电位传感器的电气输出是很多传感器的典型输出：它是一个连续信号或模拟信号。在可由计算机读取它之前，必须将其数字化。模拟到数字（A/D ）转换器是将连续的模拟信号转换成数字形式
2、的器件。这种转换的步骤如下： 周期性地采样连续信号，形成一系列的离散时间采样。 每个离散模拟采样属于有限数量的预定义幅度水平之一，预定义幅度水平即所谓的量化水平，它由在A/D 器件的有效范围之上的离散电压组成。 幅度水平编码成数字形式，以供控制器的数字处理器采集。例如，一个8 位的二进制输出意味着这个A/D 转换器能够将模拟电压分成256 个离散电平。 这样的数字化读数是控制器内处理器存储器的输入。接下来， 我们将详细讨论模拟和数字系统之间转换信号的过程。D/A 转换器这里，我们 研究一个4 位（ 4-bit）二进制数转换为电压电平的基本过程。计算机提供的4 位二进制数， 呈现给 D/A 转换
3、器的可能输入状态为24=16 个。输出电压所要求的范围必须设计到 D/A 器件。器件的完整电压范围是011.25V。输入的二进制数范围可为015。由于在整个 11.25V 范围内有15 个增量，二进制数的每个增量等于11.25/15 = 0.75V 。二进制数增加1 会使 D/A 转换器的输出电压增加0.75V。输出（电压或电流）可以通过二进制输入进行控制的，术语步长（step size）用来表示输出的最小增量。在本例中，步长为 0.75V。步长与分辨率百分比（percent resolution）有关，其大小等于每步的电压（或电流）占完整电压 （或电流）范围的百分比。分辨率百分比可根据步长，
4、或在整个范围内使用的输入二进制 位个数（ n）来计算，如下式所示：%100%stepsizeresolutionfull range=(12-1) 1%100%21nresolution =-(12-2) A/D 转换器当传感器将模拟电压输入提供给控制器时，为了实现计算机处理，把信号转换为数字形式是必要的，这项工作由A/D 转换器来实现。通过在离散的时间间隔上采样模拟输入，并把每个采样映射成转换器的离散量化水平（discrete quantizing level ）之一，即可完成这项工作。一个A/D 转换器有2n个离散量化水平，其中n 是 A/D 转换器中寄存器的二进制位数。全范围电压为11.
5、25V 的 4-bit A/D 转换器，设计用于011.25V 的电压范围。A/D 转换器将电压范围映射为二进制数。一般情况下， 模拟信号属于转换器的量化电平之一。量化电平共有 16 个，若每次的增量变化为0.75V，则可分成15 次。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 56A/D 转换器的分辨率是由步长决定的，本例中，A/D转换器 的分辨率为0.75V。如同D/A 转换器的情况一样，分辨率百分比可用公式（12-1）
6、和（ 12-2）计算。因此，分辨率百分比为 (0.75/11.25)100=6.67。术语准确度（accuracy）用来描述实际模拟输入信号和由数字读数确定的记录值之间的最坏情况下的误差。一般情况下， 准确度是分辨率的一半。数据点是量化水平的中点。因为记录的数据点是量化水平的中点，最坏情况误差为0.375V ，它是这个特定A/D 转换器的准确度。测量误差源存储的数据点和实际的模拟信号是依据分辨率彼此接近的，我们把准确度说成是这种接近程度的一种度量方法，这取决于转换器中的二进制位个数。其它测量准确度的度量方法通常是由 D/A 和 A/D 转换器制造商指定的。用来构建转换器的组件不同，产生的D/A
7、 单元也有差别，对于同一个二进制输入，输出电压会存在一些无法控制的变化。制造商用 “ 理想 ” 转换器在最坏情况下的变化来描述模型的准确度。这样，例如，0.05 的准确度表示给定值可能偏离理想值0.05 。 这种变化是在由二进制位数导致的准确度之外的。线性误差（ linearity error ）描述转换器的步长从它的理想步长偏离了多少。因此，如果转换器的步长为0.75V，线性误差为0.05 ，那么，步长可能偏离多达0.000375V 。准确度和线性误差附加在分辨率不准确度（resolution inaccuracies）之上。在根据应用和期望的分辨率和准确度选择合适的转换器时，所有这些因素都
8、应予以考虑。进行测量的工程师或科学家最终感兴趣的是，记录的数据点如何紧密地表示从过程中采集物理测量，如温度或位置。因此，在整个测量系统中，其它不准确度源必须加以考虑。传感器提供的输出电压与物理测量成正比。与物理测量相关的输出信号线性度和准确度信息，是由传感器制造商提供的。这里我们能看到的输出信号在0100mV 的范围内。为了满刻度应用A/D 转换器，这个信号必须经过放大，此乃信号整理形式之一。这里，100 倍的放大将传感器的满刻度匹配到该A/D 转换器。由于放大器是由不完善的部件组成，同样存在内置的不准确度。最后，经放大后的信号被馈送到A/D 转换器，导致我们已经谈及的不准确度。在一般情况下，
9、测量系统由多个部件组成，测量的准确度应考虑所有不准确度源之和，从传感器 /过程接口开始，到数字计数被记录在计算机里为止。12.2 数字信号处理信号是我们日常生活的基本组成部分，其表现形式多种多样。例如， 人类沟通的常见形式是使用语音信号，既可以是面对面的谈话，也可以是透过电话线的语音交流。人类沟通的另一种常见形式是视觉性的，这种形式使用了我们周围的人或物的图像。事实上， 在我们的生活环境中，可能遇到的信号有很多，列出所有信号几乎是不可能的。一般来说， 信号是传递信息的承载体，而信息是包含在信号里的内容。然而， 在狭义上，信号被定义为一个或多个独立（自）变量的数学函数，用来传递物理现象的本质信息
10、。当该函数依赖于单个独立变量时，这信号被认为是一维的。例如， 语音和音乐信号表示空间中某点的空气压力为时间的函数。当函数依赖于两个或更多个独立变量时，这个信号被认为是多维信号。 例如， 一张黑白照片记录了光的强度，它是二维空间坐标变量的一个函数；一个电视视频信号是由一系列被称为帧的图像组成的，它是关于空间坐标变量和时间变量的三个独立变量的函数。一般地，信号是时间、距离、位置、温度、压力等独立变量的函数。在系统最常见形式中， 系统被定义为执行某个指定任务的几个组件的组合和互连。例如，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
11、名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 57从广意义上讲，人体生理系统、生态系统、通信系统、电力系统和全球定位系统（GPS）都是真实世界中的系统。然而， 从狭义上讲， 系统被定义为将输入信号转换成输出信号数学转换或算子。具体地讲，离散时间系统可以表示为( ) ( )y nT x n=（12-3）其中， x(n)是输入信号， y(n)是输出信号， “ T” 是一个算子，用来表示能由输入信号产生输出信号的规则或计算。这样的系统经常采用图12-1 所示框图来描述。常用的通信系统基本结构如图12-2 所示。 这种系统包括三个基本要素，即：发
12、射器、信道和接收器。从功能上来说，发送器把报文（message ）信号转化为适合在信道中传输的形式；而信道是连接发送器和接收器的物理媒体；接收器对信道的输出进行处理得到有用的信号以供用户使用。什么是信号处理？信号处理与信号及其所包含信息的表示、转换和处理有关。例如，我们可能希望把已混合在一起的两个或多个信号分离开来，或者我们可能希望增强某些信号分量或估计信号模型的某些参数。通信系统中，在通过信道进行传输之前，首先做调制、信号调整和信号压缩之类的预处理，然后告知接收器的进程，这样做通常是十分必要的。在20 世纪 60 年代之前，信号处理技术几乎都是模拟技术。随着计算机和微处理器的快速发展，以及诸
13、如快速傅里叶变换（ Fast Fourier Transform, FFT ）这些理论上取得的重大进步，人们转而大量地使用数字技术，从而产生了数字信号处理这一领域。数字信号处理的概述在现代世界中， 我们被各种形式的多种信号包围着。在工程实际中， 信号是信息的载体，这些信息既包括有用信息，也包括无用信息。因此，提取或增强源自相互冲突的信息组合的有用信息，是最简单的信号处理形式。一般来说，信号处理是设计用于提取、增强、存储和传送有用信息的操作。我们在实践中遇到的信号大多是模拟信号，它们的时间和幅度是连续变化的，采用包含有源和无源电路元件的电气网络进行处理。这种方法被称为模拟信号处理（ Analog
14、 Signal Processing ，ASP） 。这种处理可通过图12-3 所示方框图大致描述。模拟信号处理可以通过数字信号处理（Digital Signal Processing ，DSP）来等效地实现，所采用的结构如图12-4 所示。图 12-4 中每个组成部分的功能如下。(1) 前置滤波器用于调整模拟信号xa(t)，以防止混淆。x(n)Fig. 12-1 Block diagram representation for the systemT y(n)Fig. 12-3 Block diagram for analog signal processingAnalog signal pr
15、ocessorAnalog inputAnalog output名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 58(2) A/D 转换器产生二进制数据流，以一系列x(n)表示。(3) 数字处理器根据所设计的信号处理算法处理二进制数据，导致产生用一系列y(n)表示的二进制数据流。数字信号处理器可以代表一个通用的计算机或数字硬件等。(4) D/A 转换器执行的操作与A/D 转换器相反，它根据一系列二进制数y(n)产生阶梯波形，这是
16、朝向产生所需的模拟输出信号ya(t)的第一步。(5) 后置滤波器是一个模拟低通滤波器，用于平滑阶梯波形，从而形成所需的模拟输出信号 ya(t)。对上述两种处理模拟信号的方法来进行比较可知，DSP 法比 ASP 法复杂。因此，人们可能会提出这样一个问题：为什么对模拟信号进行数字化处理？答案在DSP 拥有许多优点。ASP 的主要缺点是其执行复杂信号处理应用的范围有限。这可解释成处理的不灵活性（nonflexibility ）和系统设计的复杂性。所有这些通常会导致昂贵的产品。另一方面，使用DSP 法，可以把廉价的个人计算机转变成一个强大的信号处理器。DSP 法的一些重要优点如下。(1) 采用 DSP
17、 法的系统可以使用在通用计算机上运行的软件进行开发。因此，DSP 的开发和测试比较方便，而且软件是可移植的。(2) DSP 操作主要基于加法和乘法运算，处理能力极其稳定。(3) 通过简单的编程修改、或重装寄存器，可以很容易地、实时地改变DSP 操作。(4) VLSI 技术减少了存储器、门、微处理器等的成本，这使得DSP 的成本较低。DSP 的主要缺点在于其运行速度，尤其是在频率非常高的情况下。由于具有以上优点，如今， DSP 已经成为许多技术和应用中的第一选择，诸如消费电子产品、通信、无线电话以及医学图像处理技术。12.3 智能传感器与执行器传感器和执行器是工厂（物理世界） 和计算机 （网络世
18、界） 之间的接口设备。在输入端，传感器将机械量或电量转化成数字形式，如果物理量的域是密集的，数字表示 方法 的离散性会导致不可避免的错误。一个模拟量 （在值域和时域）的任何数字表示，其最后一位是不可预测的， 即使两个独立的传感器观察同一个物理量，它们的网络世界表示也具有潜在的不一致性。在输出端，执行器将数字值转化成相应的物理信号。1. 模拟输入 /输出许多模拟物理量的传感器，首先产生标准的420mA 模拟信号（ 4mA 表示量程的0%，20mA 表示量程的100%） ，然后通过模 /数（ A/D ）转换器，将其转换成数字形式。标准模拟信号之所以用4mA 表示量程下限，主要为了将断线（0mA ）
19、和 0测量值（ 4mA ）区分开来。如果不采取专门措施，任何模拟控制信号的准确性（accuracy）都会被电气噪声减少大约 0.1%。分辨率超过10 位的 A/D 转换器， 只有通过 仔细控制物理环境，才能真正提高信号的准确性， 这在典型工业应用中是不现实的。因此，一般不使用10 位以上的 A/D 转换器 。采用两个字节（16 位）对模拟传感器测得的实时实体值进行编码已经绰绰有余，这也是工业控制领域普遍采用16 位计算机架构的原因之一。从产生RT 实体的值，到传感器将其表示在传感器/计算机接口上，这个过程需要一定的时间， 这个时间的长度是由传感器的传递函数决定的。传感器阶跃响应，给出了这个传递
20、函数的近似方法，其中也包括了传感器的延迟时间和上升时间。当推导传感器/执行器信号的时间准确性时，必须考虑传感器和执行器传递函数的参数，见图12-5。这些参数减小了名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 59从产生 RT实体值到计算机将其用于输出作用之间的可用时间间隔。滞后时间较短的转换器，能够增大用于计算机系统的时间准确性间隔。在许多控制应用中，观测（采样）模拟物理量的时刻是由计算机系统控制的。为了减少控制回路的死区时间
21、，采样时刻、 采样数据向控制节点的传输和设定点数据向执行器节点的传输，三者应该相位匹配。2. 数字输入 /输出数字 I/O 信号在 TRUE 与 FALSE 两种状态之间切换。一些应用关注从一个状态向另一个状态变化的时间长度，而另一些应用则强调切换发生的时刻。如果数字信号来自一个简单的机械开关，那么由于开关的触点存在机械振动，即触点颤动（ contact bounce） ，当开关从一个状态向另一个状态转变时，只有在随机振荡结束后，开关才能达到新的稳态，见图12-6。如果输入信号来源于简单的机械开关，那么必须设法消除触点颤动。消颤方法多种多样，如硬件消颤法、软件消颤法等。现在，微控制器成本低廉，
22、计算机软件消颤法（如消颤子程序）比硬件消颤法（如低通滤波器）更经济。许多传感器器件能够 生成脉冲序列， 每个脉冲携带了发生事件的信息。例如，通过车轮转动测量距离。 车轮每旋转一周， 传感器产生规定数量的脉冲，这些脉冲可被变换成行进的距离。 脉冲的频率表示速度。当车轮行进至已定义的校准点时，对计算机发出另外的数字输入信号，将脉冲计数器设置为指定值。有些输出器件的控制信号 是脉冲序列，如脉宽调制（PWM ） ，这类脉冲的形状是经过仔细定义的，很多用于过程I/O 的微控制器提供产生数字脉冲形状的硬件支持。3. 智能化仪器仪表如果一个物理单元将传感器/执行器和相关的微控制器封装到一起，并在外部世界与现
23、场总线（如CAN 总线）之间，提供一个标准的抽象报文接口，那么这样的物理单元称为智能仪表（ intelligent instrument ） ，如图 12-7。智能仪表隐藏了具体的传感器接口，它的单片微控制器为传感器/执行器提供所需要的控制信号，执行信号整理（signal conditioning ） 、信号滤波（ signal smoothing）以及本地错误检测，并向 /从现场总线报文接口提供/获取以标准测量单位表示的、有意义的RT 映像。智能仪表简化了生产设备与计算机的连接。例如，将集成芯片上的加速度传感器、合适的微图12-6 机械开关的触点颤动开关打开开关关闭触点颤动t名师资料总结 -
24、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 60控制器和网络接口封装在一起，就形成了一个智能加速度 传感器（智能仪表） 。为使测量具有容错能力，可将多个独立的传感器封装到同一个智能仪表。这样的仪表，即使其中的一个传感器出现故障，通过执行仪表内部的约定协议（agreement protocol） ，也能得到一个约定（agreed）传感器值。现场总线节点与执行器集成在一起就形成了智能执行器（智能仪表）。例如，汽车安全气囊的执行器必须在适当的时刻
25、点燃炸药，将高压容器中的气体释放到气囊。少量的炸药被直接放置在微控制器硅片上，可在芯片上点燃，这一组件被封装在合适的机械位置上，以便打开关键阀门。这个包含炸药的微控制器就是一个智能执行器。现场总线的种类很多，而且没有一个人们普遍接受的现场总线标准。传感器制造商不得不面对这个难题， 一种 普遍的做法是， 为不同的现场总线提供相对应的智能仪表网络接口。练习答案 :1.Answer the following questions. (1)A/D and D/A converters are used to interface a digital-computer-based industrial c
26、ontroller with analog device. (2)On the input side of a computer, a measurement process provides an electric signal in analog form. Signals that drive actuators on the output side are controlled by binary digital outputs. (3)The full range of the device is 05 volts. The input binary count can range
27、between 0210. Since there are 210-1=1024-1=1023 increments over the full range of the 5-0=5 volts, the step size of the 10-bit D/A converter is 5/1023=0.00489 volts. (4)This is accomplished by sampling the analog input at discrete intervals of time and mapping each sample into one of the discrete qu
28、antizing levels. An A/D converter has 2ndiscrete quantizing levels, where n is the number of bits in the register of the A/D converter. (5)In the case of the 10-bit A/D converter, the percent resolution can be computed using equation (12-2). 1011%100%100%0.09775%2121nresolution =-(6)Accuracy and lin
29、earity errors are in addition to resolution inaccuracies. 2.According to the text, fill in the blanks with suitable words and values given below in the correct form. (1) number (2) digital A/D analog sampling quantizing encoding (3) 8 (4) 0.75 (5) samples discrete mapslevel (6) largest practical ide
30、al (7) degree storedactual resolution (8) scale amplif iedconditioning 3.Select the best choices to complete the article. (1) discrete(2) a conversion(3) Suppose (4) such as(5) various(6) to communicate名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -