[an error occurred while processing this directive] [an error occurred while processing this directive]
|
Техническая справка
О возможности использования модулей МАП-01 для создания высокоточных измерителей перемещения
Р.А.Шигапов
1. Введение.
Применение цифровой обработки при измерениях различных величин является одной из самых распространенных операций используемой в современных измерительных приборах.
Это обусловлено тем, что цифровая обработка позволяет расширить динамические диапазоны представления измеряемых величин, уменьшить влияние сложности алгоритма измерения на точность конечного результата, применять сложные алгоритмы обработки с целью повышения точности измерения.
Например, известно, что сигнал с выхода цифрового фильтра имеет более высокий динамический диапозон чем на входе.
Также важным фактором для точности измерений является отсутствие помех при обработке цифрового сигнала.
В некоторых случаях цифровая обработка обеспечивает повышение точности измерений, которое невозможно реализовать в аналоговом исполнении для практического использования.
Например, в ультразвуковом измерителе перемещений с целью исключения погрешностей частоты генератора, скорости распространения ультразвуковой волны, можно измерять временной интервал связанный с перемещением и опорный интервал на эталонном звукопроводе (на практике эталонным звукопроводом может служить измерительный звукопровод калиброванной длины с дополнительным приемным датчиком на другом конце).
Далее точно разделив значение измеренного интервала на значение опорного можно получить значение перемещения, не зависящее от частоты генератора и скорости распространения звуковой волны. Операция деления цифровых данных может быть произведена с любой необходимой точностью.
Реализация такого решения в аналоговом виде не представляется возможным, т.к. погрешность аналогового делителя в лучшем случае будет около 0.1 - 0.2 % , что не подходит для построения высокоточных измерителей перемещений.
Для проведения измерений в реальном масштабе времени, связанных с цифровой обработкой, необходимы специальные процессоры или модули имеющие высокое быстродействие, достаточную память и возможности для ввода и вывода аналоговых сигналов.
Модули серии МАП специально предназначены для обработки как аналоговых так и цифровых сигналов в реальном масштабе времени.
2. Основные принципы измерения перемещений.
Существуют много различных типов измерителей перемещений, использующих самые различные принципы измерений.
В данной справке рассматриваются возможности цифровой обработки с использованием модуля МАП-01 для измерителей перемещений, основанных на измерении абсолютных и/или относительных временных интервалов.
Например, оптические интерференционные измерители перемещений могут использовать принципы измерения фазы оптического излучения. Это по сути является измерением временного интервала между началами периодов опорного и измерительного луча.
Также к этим измерителям относятся измерители перемещений, основанные на измерении индуктивности, емкости, ультразвуковые. Эти измерители используют зависимость индуктивности, емкости или времени распространения от перемещения.
Например, вычисление индуктивности или емкости производится по формулам
L=R / 2f tg , или C= - tg / 2f R ,
где: L - измеряемая индуктивность, R - сопротивление цепей параллельных измеряемой индуктивности ( емкости ), f - частота гармонического синусоидального колебания, - фаза приходящего синусоидального сигнала, C - измеряемая емкость.
Отсюда видно, что точность измерения индуктивности или емкости, а значит и перемещения зависит от точности измерения фазы (временное смещение периодов опорного и приходящего) гармонического колебания.
Можно создать ультразвуковой измеритель перемещения на основе модуля МАП-01, использующий принцип измерения временного интервала путем распространения специального пакета сигнала, содержащего также и синусоидальный.
При этом пакет должен содержать специальный сигнал начала пакета, например, шумоподобный сигнал, с тем чтобы определить начало пакета с точностью меньшей чем период гармонического колебания.
В этом случае определяется время распространения пакета с дискретностью равной длине волны гармонического колебания, а затем к этому времени добавляется время соответствующее фазе пришедшего гармонического колебания.
Таким образом имеется возможность многократно повысить точность измерения за счет вычисления фазы приходящего сигнала.
Общее время “T” будет равно:
T = t + / 2 ,
где: t - величина времени распространения пакета, дискретизированная величиной периода гармонического колебания, - период гармонического колебания, - фазовый угол гармонической части пришедшего пакета.
Из вышеизложенного видно, что для построения интерференционных, индуктивных, емкостных и ультразвуковых измерителей, необходимо точно измерять фазу синусоидальных колебаний.
Для точного измерения фазы необходимо иметь высококачественный гармонический (синусоидальный) сигнал, который практически может быть получен только с использованием цифрового синтеза.
3. Оценка параметров модуля МАП-01 для построения измерителя перемещений.
Модуль МАП-01 имеет быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный к сигнальному процессору ADSP-2181. Модуль допускает возможность установки микросхемы ЦАП разрядностью от 8 до 14 бит, в зависимости от требований по точности и цене.
Для измерителя перемещения синтез высококачественного сигнала синуса может быть произведен сигнальным процессором модуля с выводом цифровых отсчетов на ЦАП. При этом максимальная частота вывода 14-битных цифровых отсчетов может быть 16 мГц, что позволяет получать синусоидальный сигнал с частотой 2-4 мГц и ниже.
Модуль МАП-01 может быть использован также для синтеза сигналов любой сложной формы.
Для ввода приходящего аналогового сигнала измерителя перемещений модуль имеет быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) разрядностью 10 бит и с максимальной частотой оцифровки также 16 мГц.
Для записи и хранения принятых цифровых данных от ЦАП процессор модуля имеет оперативную память данных 16 k слов разрядностью 16 бит, и оперативную память программ 16 k слов по 24 бита, которую также можно использовать для хранения как программ так и данных.
Например, оперативная память процессора модуля позволяет хранить двадцать цифровых сигналов, состоящих из 1000 отсчетов каждый, или два цифровых сигнала длиной по 10000 - 12000 отсчетов каждый.
Это является более чем достаточным для синтеза сигналов и измерения фазы в измерителях перемещений.
Модуль МАП-01 имеет высокоточный порт ввода-вывода разрядностью 16 бит и максимальной частотой преобразования 64 кГц. Этот порт может быть использован для синтеза и измерений синусоидального сигнала с частотой до 20 - 25 кГц. Эти частоты также могут быть использованы при измерениях перемещений.
Также модуль имеет энергонезависимую, перепрограммируемую флэш-память для хранения программ и данных. Емкость этой памяти 512 kbyte , что достаточно не только для хранения программ, но и подстроечных данных прибора, различных коэффициентов, например, корректировочных таблиц нелинейности измерителя перемещения.
При модификации или смене программного обеспечения измерителя нет необходимости в использовании новой микросхемы, достаточно перепрограммировать имеющуюся флэш-память. Причем без использования программатора.
Печатная плата модуля МАП-01 имеет четыре слоя, два из которых для питания, специально выполненны сплошными полигонами с целью уменьшения собственных и экранизации внешних помех, что также способствует точности измерений входных напряжений.
Для измерения временных интервалов процессор имеет 16-битный таймер с 16-битным предделителем, с помощью которого можно измерять и генерировать временные интервалы в широком диапазоне времени. Максимальная частота счета таймера 33 мГц.
Быстродействие процессора ADSP-2181 модуля МАП-01 составляет 33 млн.оп / сек и соответственно цикл процессора 30 нс. Все команды процессора исполняются за один цикл. Для реализации одной из вышерассмотренных математических формул может потребоваться около 4000 циклов процессора, что составит по времени около 120 мкс - период частоты 8333 кГц. Эта частота выдачи данных может быть достаточной для очень широкого спектра измерителей перемещений.
Для точного измерения фазы синусоидального сигнала, необходимо использовать операцию свертки пришедшего и опорного сигналов, что характеризуется большим объемом необходимых вычислений.
Для ускорения таких операций процессор модуля имеет аппаратную поддержку, реализуемую при помощи многофункциональных команд с одновременными вычислением и выборкой данных из памяти программ и памяти данных. При этом затраты на обработку одного отсчета сигнала составляют один цикл процессора - 30 нс. А аккумулятор умножителя-накопителя имеет разрядность 40 бит, что позволяет не терять результат вычислений даже при переполнениях.
Модуль имеет программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), которая может быть использована для организации внешнего цифрового интерфейса или для иных любых целей, например, для реализации схем управления шаговыми двигателями.
Модули серии МАП-01 могут соединяться между собой с целью построения систем измерений и управления.
4. Оценка цифровой чувствительности измерителей перемещений при применении модуля МАП-01.
В данной справке под определением цифровая чувствительность понимается длина перемещения, соответствующая младшему биту диапазона значащих бит представления измеренной величины перемещения.
Данная оценка является приблизительной и учитывает только те основные факторы, связанные с цифровой обработкой и ее возможностями.
Оценки влияний конструкции, шумов кварцевого генератора, нелинейностей трактов прохождения сигналов и т.д. и т.п. являются темой серьезных исследований и в данной справке не рассматриваются.
Предположим, что для ультразвукового измерителя перемещений используется
синусоидальный сигнал от модуля МАП-01 частотой 2 мГц.
Для измерения времени распространения звука можно использовать сигнал состоящий из 100 периодов синуса. Учитывая, что модуль МАП-01 может выдавать отсчеты сигнала синуса с частотой 16 мГц получим 8 отсчетов на один период. И 800 отсчетов на весь пакет синуса.
Таким образом для вычисления фазы приходящего сигнала будут использоваться 800 отсчетов приходящего сигнала и по 800 отсчетов синуса и косинуса
Предполагая, что средняя амплитуда сигнала около 0.25 от общего диапазона ввода от АЦП можно определить примерный диапазон значащих бит, получающихся при свертке приходящего сигнала с опорными сигналами синуса и косинуса.
2 в степени 9.7 составляет около 800, и с учетом 2 бита скидки на среднюю амплитуду получаем + 7.7 значащих бита дополнительно к разрядности быстродействующего АЦП ввода, которая в модуле МАП-01 составляет 10 бит.
И таким образом общая разрядность значащих бит содержащих информацию о фазе сигнала составляет 17.7 бит , что соответствует динамическому диапазону около 200000 раз.
Для определения фазы приходящего сигнала необходимо результат сверток по синусу разделить на результат сверток по косинусу и вычислить арктангенс от частного.
Чтобы не потерять значащие биты, вычисления необходимо производить с точностью не хуже 18 бит, например, используя 32-битные слова для данных и соответствующие им подпрограммы вычисления функций. Процессор модуля МАП-01 имеет для этого достаточные аппаратные возможности.
Предполагая, что при вычислениях диапазон значащих бит изменяется незначительно, определим примерную цифровую чувствительность ультразвукового измерителя перемещения на основе модуля МАП-01.
Длина волны в стеклянном звукопроводе на частоте 2 мГц составляет около 1.25 мм (при скорости звука 2500 м/с). А диапазон значащих бит при определении фазы приходящего сигнала составляет 17.7 бит.
Разделив длину волны в звукопроводе (1.2 мм) на динамический диапазон представления измеряемой величины (200000 раз) получим цифровую чувствительность ультразвукового измерителя перемещения 6 nm , соответствующую младшему биту значащих бит результата измерений.
Аналогичные расчеты можно произвести для индуктивных и емкостных измерителей перемещений.
5. Оценка цифровой чувствительности оптических интерференционных измерителей перемещения при применении модуля МАП-01
Модули МАП-01 могут быть применены для измерения фазы когерентного оптического излучения, например, в оптических интерференционных измерителях перемещений.
При этом цифровая чувствительность R составит:
R = / D = 0.6 m / 200000 раз = 3 pm
где: - длина волны (0.6 m) оптического когерентного излучения , D - динамический диапазон измерения фазы с использованием модуля МАП-01.
6. Выводы.
На основе модулей МАП-01 можно построить ультразвуковые измерители перемещений с цифровой чувствительностью 6 nm .
Цифровая чувствительность 6 nm для ультразвуковых измерителей не является предельной величиной. Повысить значение цифровой чувствительности можно, например, созданием специализированных быстродействующих и высокоточных модулей ввода-вывода и обработки, и/или также повысив частоту ультразвука.
Перспективными направлениями развития высокоточных измерителей могут явится ультразвуковые измерители на частотах 20 - 200 мГц с цифровой чувствительностью 0.06 nm.
Основной областью использования ультразвуковых измерителей перемещений будут являться устройства в которых необходимо иметь значение перемещения сразу после включения прибора, без проведения операций перемещений и установки начальной точки отсчета.
Модули МАП-01 можно использовать для создания оптических интерференционных измерителей перемещений с цифровой чувствительностью 3 pm.
Для сравнения, радиус атома элемента лития составляет 155 pm.
Создание суперчувствительных оптических интерференционных измерителей перемещений (СОИИП) приведет к дальнейшему развитию областей высоких технологий.
Очевидно, что основной областью использования (СОИИП) будет являться оборудование для производства микросхем.
При этом также СОИИП приведут к созданию новых областей высоких технологий.
Например, создание устройств измерений массы физических тел путем измерения гравитационного поля от них.
E-mail: 
info@telesys.ru
