Кафедра інформаційно-вимірювальних систем

ДОПУСТИТИ ДО ЗАХИСТУ

Завідувач кафедри ІВС

д.т.н., професор Куц Ю. В.____

«___»______________ 2013 р.

ДИПЛОМНА РОБОТА

(ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА)

ВИПУСКНИКА ОСВІТНЬО-КВАЛИФІКАЦІЙНОГО РІВНЯ

«МАГІСТР»

Тема:Аналоговий інтерфейс з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем

Виконавець:Нічікова Тетяна Павлівна

Керівник:к.т.н., доцент Орнатський Дмитро Петрович

Консультант з окремих розділів пояснювальної записки:

к.т.н., доцент Мокійчук Валентин Михайлович

Нормоконтролер:Суслов Євген Федорович

Київ 2013

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут інформаційно-діагностичних систем____________________________

Напрям (спеціальність) 8.05100102 Інформаційні вимірювальні системи______

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри

д.т.н., професор Куц Ю. В.____

«___»______________ 2013 р.

1. Тема дипломної роботи «Аналоговий інтерфейс з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем» затверджена наказом ректора від «07» вересня 2012 р. № 1761/ст.

2. Термін виконання роботи: з 29 жовтня 2012 р. по 17 лютого 2013 р.

3. Вихідні дані до роботи:

4. Зміст пояснювальної записки: 1. Постановка задачі та особливості побудови аналогових інтерфейсів. 2. Огляд способів побудови та вибір аналогового інтерфейсу для інформаційно-вимірювальних систем. 3. Моделювання аналогового інтерфейсу з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем.
4. Аналіз досліджуваної системи та її похибок.

5. Перелік обов’язкового графічного матеріалу: 1. Титульний слайд. 2. Об’єкт, предмет та метод дослідження. 3. Наукова новизна та актуальність теми.
4-5. Класифікація АІ. 6. Метрологічні характеристики АІ. 7. Похибки АІ. 8. Способи побудови систем передачі даних. 9. Будова та принцип роботи HART-протоколу. 10. Багатоточкові ІВС. 11-13. Дослідження та моделювання ітераційно-інтегруючого перетворювача. 14-15. Дослідження та моделювання системи фазового автопідлаштовування частоти. 16. Побудова АІ з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем. 17. Експериментальне дослідження похибок. 18. Висновки.

6. Календарний план-графік

7. Консультанти з окремих розділів

8. Дата видачі завдання: «30» жовтня 2012 р.

Керівник дипломної роботи ___________________ к.т.н., доцент Орнатський Д. П.

(підпис керівника)

Завдання прийняв до виконання __________________ Нічікова Т.П.

(підпис випускника)

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до дипломної роботи «Аналоговий інтерфейс з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем» має обсяг 126 сторінок, з них 52 рисунки, 3 таблиці, 51 використане джерело та 2 додатки.

Ключові слова: АНАЛОГОВИЙ ІНТЕРФЕЙС, ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНА СИСТЕМА, ЧАСТОТНА МОДУЛЯЦІЯ, СИСТЕМА ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ, ПЕРЕДАЧА ДАНИХ, ДИСТАНЦІЙНІ ВИМІРЮВАННЯ.

Об’єктом дослідження є процес дистанційної передачі даних.

Предметом дослідження є аналоговий інтерфейс з частотною модуляцією для багатоточкових інформаційно-вимірювальних систем.

Метою дипломної роботи є підвищення метрологічних характеристик системи дистанційної передачі даних в умовах дії флуктуаційних шумів тональними лініями зв’язку.

Методи дослідження, використані у роботі: дослідження експериментального стенду аналогового інтерфейсу з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем; моделювання окремих складових системи в середовищі Multisim; експериментальне визначення залежності похибки системи від співвідношення сигнал/завада.

Основні результати, значущість роботи, рекомендації щодо використання. Отриманi результaти дипломнoї робoти мaють важливe наукoве і пpaктичне значeння і полягaють y настyпному: розроблення нового виду системи дистанційних вимірювань параметру об’єкту, в основу якої покладено принцип частотної модуляції та використання для декодування сигналу на приймальному кінці системи замість звичайних демодуляторів типу компараторний частотомір нових пристроїв демодуляції; покращено метрологічні характеристики передачі даних. Розроблeна система може бyти викoристaна при наyкових i пpактичних дослiджeннях рiзних об’єктів вимірювань.

ЗМІСТ

Вступ. 7

1 Постановка задачі та особливості побудови аналогових інтерфейсів. 9

1.1 Загальна характеристика аналогового інтерфейсу інформаційно-вимірювальних систем. 9

1.2 Передача вимірювальної інформації 28

1.2.1 Модуляція гармонічних сигналів. 31

1.2.2 Імпульсна модуляція. 42

2 Огляд способів побудови та вибір аналогового інтерфейсу для інформаційно-вимірювальних систем.. 48

2.1 Пристрої збору даних для лабораторних систем. 48

2.2 Технології із віддаленим доступом. 51

2.2.1 Технологія FieldPoint 51

2.2.2 HART-протокол (Highway Addressable Remote Transduser) 53

2.3 Багатоточкові інформаційно-вимірювальні системи централізованого типу. 57

2.3.1 Трипровідний аналоговий інтерфейс. 59

2.3.2 Диференціально-струмові структури. 64

3 Моделювання аналогового інтерфейсу з частотною модуляцією для інформаційно-вимірювальних систем.. 72

3.1 Аналіз ітераційно-інтегруючого перетворювача. 73

3.1.1 Моделювання відновлюючого фільтру нульового порядку. 82

3.1.2 Моделювання відновлюючого фільтру першого порядку. 86

3.2 Аналіз схеми широкосмугового фазового автопідлаштовувача частоти. 87

3.2.1 Моделювання фазового автопідлаштовувача частоти. 93

4 Аналіз досліджуваної системи та її похибок. 95

4.1 Побудова системи збору даних з аналоговим інтерфейсом для інформаційно-вимірювальних систем із застосуванням частотної модуляції 95

4.2 Оцінювання похибок при модуляції 102

4.2.1 Експериментальний аналіз залежності ймовірності появи похибки від співвідношення сигнал/шум. 105

Висновки. 118

Список використаних джерел. 119

Додаток А. Функціональні схеми варіантів побудови відновлюючого фільтру в середовищі Multisim.. 124

Додаток Б. Функціональна схема широкосмугового завадозахищеного фазового авторідлаштовувача частоти у середовищі Multisim.. 126

ВСТУП

На сьогоднішній день дистанційні вимірювання не знаходять широкого розповсюдження, найчастіше для віддалених об’єктів передача інформації до ПК відбувається за допомогою кодо-імпульсної модуляції (КІМ), яка є найбільш завадозахищеним видом модуляції. Проте, відомим недоліком КІМ є низька швидкодія, швидкість вимірювань у таких системах не перевищує 50 вимірювань за секунду. Що стосується сигналів інтенсивності, їх використання, в основному, пов’язане із таким способом підвищення завадозахищеності, як збільшення потужності корисного сигналу. Однак, за наявності великої кількості каналів у вимірювальній системі збільшення потужності корисного сигналу призводить до суттєвого взаємного впливу каналів, так званих перехресних завад.

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку інформаційно-вимірювальних технологій актуальною залишається проблема дистанційних вимірювань параметрів об’єкту через використання вимірювальних сигналів із широким динамічним діапазоном та значний рівень зовнішніх завад (200 мкВ на 10 м лінії зв’язку). Також при віддаленому доступі суттєвою є проблема наявності мережевих наведень у лінії зв’язку. Тому на сьогоднішній день шукаються компромісні рішення, які були б здатні впоратись із поставленими задачами.

В дипломній роботі розглянуто один із можливих варіантів подібної системи з частотною модуляцією інформаційного носія із використанням принципово нових пристроїв демодуляції та відновлення сигналу.

Об’єктом дослідження є процес дистанційного вимірювання параметрів об’єкту із використанням частотної модуляції та підвищеними метрологічними характеристиками в умовах дії завад. Предметом дослідження є аналоговий інтерфейс з частотною модуляцією для багатоточкових інформаційно-вимірювальних систем.

Мета та задачі дослідження: дослідження та аналіз способів побудови інформаційно-вимірювальних систем, що використовуються для передачі даних та способів покращення їх метрологічних характеристик; розробка та моделювання аналогового інтерфейсу для інформаційно-вимірювальних систем з частотною модуляцією; аналіз засобів покращення метрологічних характеристик досліджуваної системи.

Наукова новизна отриманих результатів. В дипломній роботі було розглянуто новий вид системи дистанційних вимірювань параметру об’єкту, в основу якої покладено принцип розширення спектру сигналу за рахунок використання частотної модуляції та використання для декодування сигналу на приймальному кінці системи замість звичайних демодуляторів типу компараторний частотомір завадозахищеного широкосмугового фазового автопідлаштовувача частоти та відновлюючого фільтру на основі двох ітераційно-інтегруючих перетворювачів, що дозволяє успішно виконувати відновлення сигналу при значно більшому співвідношенні сигнал/шум, із більшою швидкодією, ніж за допомогою відомих на сьогоднішній день аналогів.

Апробація результатів. Тема дипломної роботи була розглянута та представлена на наукових та науково-практичних конференціях. Також результати дослідження дипломної роботи були опубліковані в наступних виданнях:

1. Исследование интеллектуальных аналоговых интерфейсов информационно-измерительных систем (Політ. Сучасні проблеми науки): тези доповідей ХII міжнародної науково-практичної конференції студентів та молодих учених, м. Київ, 4-5 квітня 2012 р. / Гаврилов І. В., Нічікова Т. П. — К.: НАУ, 2012.

2. Системи збору даних для аналогових інтерфейсів з частотною модуляцією (Інформаційно-вимірювальні технології та системи): тези доповідей науково-практичної конференції, м. Київ, 10 жовтня 2012 р. / Нічікова Т. П. — К.: НАУ, 2012.

РОЗДІЛ 1