В память компьютера записывается показание датчика, которое занимает 10 бит; Записывается 200 показаний

Обновлено: 02.07.2024

Под разрешением в данном контексте понимается преобразование аналогового напряжения в цифровое значение на компьютере (и наоборот). Компьютер — это цифровая машина, поэтому число хранится в виде последовательности единиц и нулей. Если вы сохраняете цифровое 2-битное число, вы можете сохранить 4 различных значения: 00, 01, 10 или 11. Теперь предположим, что у вас есть устройство, которое преобразует аналоговое напряжение от 0 до 10 вольт в 2-битное цифровое значение. для хранения в компьютере. Это устройство будет выдавать цифровые значения следующим образом:

от 0 до 2,5
от 2,5 до 5
от 5 до 7,5
от 7,5 до 10

Таким образом, в этом примере 2-битное цифровое значение может представлять 4 различных числа, а диапазон входного напряжения от 0 до 10 вольт разделен на 4 части, что дает разрешение по напряжению 2,5 вольта на бит. 3-битное цифровое значение может представлять 8 (2 3 ) различных чисел. 12-битное цифровое значение может представлять 4096 (2 12 ) различных чисел. 16-битное цифровое значение может представлять 65536 (2 16 ) различных чисел. В этот момент вам может прийти в голову, что цифровой вход можно рассматривать как 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Низкое напряжение дает 0, а высокое напряжение дает 1.

В случае LabJack U12 несимметричный аналоговый вход имеет диапазон напряжения от -10 В до +10 В (общий диапазон 20 В) и возвращает 12-битное значение. Это дает разрешение по напряжению 20/4096 или 0,00488 вольт на бит (4,88 мВ/бит).

Что значит сказать, что устройство является 12-битным, 16-битным или 24-битным?

Когда вы видите DAQ-устройства с аналоговым вводом от разных производителей, называемые 12-битными, 16-битными или 24-битными, это обычно просто означает, что они имеют АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), который возвращает столько же битов. Когда микросхема АЦП возвращает 16 бит, это, вероятно, лучше, чем 12-битный преобразователь, но не всегда. Тот простой факт, что преобразователь возвращает 16 бит, мало что говорит о качестве этих битов.

Трудно просто указать «разрешение» данного устройства. Что нам нравится делать, так это предоставлять фактические измеренные данные, которые говорят вам о разрешении устройства, включая типичный собственный шум.

Если вы посмотрите на устройство, названное "24-битным" только потому, что оно имеет преобразователь, который возвращает 24-битные данные на выборку, вы обнаружите, что обычно оно обеспечивает 20-битные эффективные или 18-битные свободные от шума (например, UE9-Pro). U6-Pro и T7-Pro обеспечивают одни из лучших показателей по сравнению с 24-разрядным АЦП, и они обеспечивают примерно 22-разрядную эффективную или 20-разрядную бесшумную обработку. Вы увидите, что с этими устройствами мы можем упомянуть, что они имеют 24-битный АЦП (поскольку это то, что люди ищут и ищут), но мы стараемся не называть их «24-битными» и стараемся придерживаться эффективного разрешения.< /p>

Еще одна интересная особенность вашего типичного 24-битного сигма-дельта преобразователя заключается в том, что вы можете рассматривать его как имеющий только 1-битный АЦП внутри, но с синхронизацией и математикой они могут производить 24-битные показания:

Микроконтроллеры способны определять двоичные сигналы: нажата кнопка или нет? Это цифровые сигналы. Когда микроконтроллер питается от пяти вольт, он понимает ноль вольт (0 В) как двоичный 0, а пять вольт (5 В) как двоичную 1. Однако мир не так прост и любит использовать оттенки серого. Что делать, если сигнал 2,72 В? Это ноль или единица? Нам часто нужно измерять сигналы, которые варьируются; они называются аналоговыми сигналами. Аналоговый датчик 5 В может выдавать 0,01 В или 4,99 В или что-то среднее между ними. К счастью, почти все микроконтроллеры имеют встроенное устройство, которое позволяет нам преобразовывать эти напряжения в значения, которые мы можем использовать в программе для принятия решения.

Вот некоторые темы и понятия, которые вы, возможно, захотите узнать, прежде чем читать это руководство:

Что такое АЦП?

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — очень полезная функция, которая преобразует аналоговое напряжение на контакте в цифровое число. Переходя от аналогового мира к цифровому, мы можем начать использовать электронику для взаимодействия с аналоговым миром вокруг нас.

< бр />

Не каждый вывод на микроконтроллере может выполнять аналого-цифровое преобразование. На плате Arduino эти контакты имеют букву «A» перед меткой (от A0 до A5), чтобы указать, что эти контакты могут считывать аналоговые напряжения.

Способ работы ADC довольно сложен. Есть несколько различных способов добиться этого (список см. в Википедии), но один из наиболее распространенных методов использует аналоговое напряжение для зарядки внутреннего конденсатора, а затем измеряет время, необходимое для разрядки внутреннего резистора. Микроконтроллер отслеживает количество тактов, которые проходят до разряда конденсатора. Это количество циклов — это число, которое возвращается после завершения АЦП.

Связь значения АЦП с напряжением

АЦП сообщает ратиометрическое значение.Это означает, что АЦП предполагает, что 5 В равно 1023, а все, что меньше 5 В, будет отношением между 5 В и 1023.

< бр />

Аналогово-цифровые преобразования зависят от напряжения системы. Поскольку мы преимущественно используем 10-битный АЦП Arduino в системе 5 В, мы можем немного упростить это уравнение:

< бр />

Если ваша система на 3,3 В, вы просто заменяете 5 В на 3,3 В в уравнении. Если ваша система 3,3 В, а ваш АЦП сообщает 512, какое измеренное напряжение? Оно составляет примерно 1,65 В.

Если аналоговое напряжение составляет 2,12 В, какое значение сообщит АЦП?

< бр />

Немного поменяйте местами, и мы получим:

< бр />

Ахах! ADC должен сообщить 434.

Пример АЦП Arduino

Чтобы продемонстрировать это в реальном мире, давайте воспользуемся Arduino для обнаружения аналогового напряжения. Используйте подстроечный резистор, или датчик освещенности, или простой делитель напряжения, чтобы создать напряжение. Для этого примера настроим простую схему подстройки:

< бр />

Для начала нам нужно определить пин как вход. Чтобы соответствовать принципиальной схеме, мы будем использовать A3:

а затем выполните аналого-цифровую версию с помощью команды AnalogRead():

Значение, которое возвращается и сохраняется в x, будет значением от 0 до 1023. Arduino имеет 10-битный АЦП (2^10 = 1024). Мы сохраняем это значение в int, потому что x больше (10 бит), чем может содержать байт (8 бит).

Давайте напечатаем это значение, чтобы посмотреть, как оно изменится:

Поскольку мы изменяем аналоговое значение, x также должен измениться. Например, если сообщается, что x равно 334, и мы используем Arduino на 5 В, каково фактическое напряжение? Вытащите цифровой мультиметр и проверьте фактическое напряжение. Оно должно быть примерно 1,63 В. Поздравляем! Вы только что создали свой собственный цифровой мультиметр с Arduino!

Заднее подключение

Что произойдет, если вы подключите аналоговый датчик к обычному (цифровому) контакту? Ничего плохого не произойдет. Вы просто не сможете успешно выполнить аналогЧтение:

Это будет скомпилировано, но x будет заполнен бессмысленным значением.

Что произойдет, если я подключу цифровой датчик к аналоговому контакту? Опять же ничего не сломаешь. Если вы выполняете аналого-цифровое преобразование на кнопке, вы, скорее всего, увидите значения АЦП, очень близкие к 1023 (или 5 В, что соответствует двоичной 1) или очень близко к 0 (или 0 В, что соответствует двоичному 0).

Хотите узнать больше об основных темах?

Полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой, см. на нашей странице «Основы инженерного дела».

Ресурсы и дальнейшее развитие

Преобразование аналого-цифрового сигнала – это отличная вещь для обучения! Теперь, когда вы понимаете эту важную концепцию, ознакомьтесь со всеми проектами и датчиками, использующими аналого-цифровое преобразование.

Соберите от двух до пяти измерений с помощью системы измерения расстояния. В левой колонке поместите истинные расстояния, определенные вашими глазами, смотрящими на курсор и линейку. В правой колонке поместите измеренные расстояния, определенные вашей системой. Когда вы введете как минимум два набора данных, нажмите кнопку "Рассчитать".

Истинные ценности | Измеренные значения | Ошибки

Количество наборов данных
Максимальная ошибка
Средняя ошибка

Lab8_Demo

Демонстрация окончательного решения Лаборатории 8

14.7. Контроллер роботизированного автомобиля, EE319K/EE319H, учащиеся могут пропустить раздел 14.7

Цель состоит в том, чтобы автономно управлять автомобилем-роботом по дороге. Автономное вождение — сложная задача, и мы значительно упростили ее и будем использовать эту простую задачу для иллюстрации компонентов системы управления. Каждая система управления имеет реальные параметры, которыми она хочет управлять. Эти параметры называются переменными состояния. В нашей системе мы хотим ехать по середине дороги, поэтому переменными состояния будут расстояние до левой стороны дороги и расстояние до правой стороны дороги, как показано на рис. 14.7.Когда мы будем посреди дороги, эти два расстояния будут равны. Итак, давайте определим Error как:

Ошибка = D_слева – D_справа

Если Error равно нулю, мы находимся в середине пути, поэтому контроллер попытается обнулить параметр Error.

Рисунок 14.7. Физическая схема автономного робота в том виде, в каком он движется по дороге.

Видео 14.6а. ИК-датчик для автомобиля-робота

Dслева = 241814/слева

Направо = 241814/ Направо

На рис. 14.8 показана точность этой системы сбора данных, где расчетное расстояние с использованием приведенного выше уравнения отображается в зависимости от истинного расстояния.

Рисунок 14.8. Точность измерения датчика расстояния Sharp GP2Y0A21YK0F, используемого для измерения расстояния до стены.

Далее нам нужно расширить робота, созданного в примере 12.2. Сначала мы создадим два драйвера двигателей и подключим по одному к каждому колесу, как показано на рис. 14.9. Будет два выхода PWM: PA6 управляет правым двигателем, прикрепленным к правому колесу, а PA5 управляет левым двигателем, прикрепленным к левому колесу. Двигатели классифицируются как приводы, потому что они воздействуют на мир силой. Как и в примере 12.2, мы напишем программное обеспечение для создания двух выходов ШИМ, чтобы мы могли независимо регулировать мощность каждого двигателя. Если трение постоянно, сопротивление двигателя R будет фиксированным, а мощность будет

Мощность = (8,4 2 /R)*H/(H+L)

При создании ШИМ период (H+L) фиксирован, а рабочий цикл изменяется путем изменения H. Таким образом, мы видим, что контроллер робота изменяет H, это оказывает линейное влияние на мощность, подаваемую на двигатель.

Рисунок 14.9. Схема автомобиля-робота. Один двигатель соединен с другим по схеме, противоположной проводу, потому что для движения вперед один двигатель должен вращаться по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки.

Токи могут варьироваться от 500 мА до 1 А, поэтому используются транзисторы Дарлингтона TIP120, поскольку они могут потреблять ток до 3 А, см. спецификацию. Обратите внимание на темные черные линии на рис. 14.9; эти линии обозначают пути этих больших потоков. Обратите внимание также, что токи не проходят внутрь или наружу LaunchPad. На рис. 14.10 показан автомобиль-робот. Два ИК-датчика расположены спереди под углом примерно 45 градусов.

Рисунок 14.10. Фотография автомобиля-робота.

Видео 14.7 . Демонстрация автономного робота

На рис. 14.11 показан контур обратной связи системы управления. Переменные состояния: D_left и D_right. Два датчика создают напряжения, которые зависят от этих двух переменных состояния. АЦП производит выборку этих двух напряжений, а программное обеспечение вычисляет оценки Dleft и Dright. Ошибка — это разница между Dleft и Dright. Правый двигатель питается с постоянным рабочим циклом 40%, в то время как рабочий цикл левого двигателя регулируется в попытке проехать по середине дороги. Мы ограничим рабочий цикл левого двигателя от 30% до 50%, чтобы он не перекомпенсировался и не вращался по кругу. Если робот находится ближе к левой стене ( Dleft Dright ) ошибка будет отрицательной и больше мощности будет приложено к левому двигателю, поворачивая его вправо. И наоборот, если робот находится ближе к правой стене ( Dleft > Dright ), ошибка будет положительной и меньшая мощность будет приложена к левому двигателю, поворачивая его влево. Как только робот окажется посреди дороги, ошибка будет равна нулю, а мощность не изменится. Этот алгоритм управления можно записать в виде набора простых уравнений. Число «200» — это коэффициент усиления контроллера, который определяется методом проб и ошибок, когда робот находится на дороге. Если медленно реагирует, то увеличиваем усиление. Если он реагирует слишком быстро, мы уменьшаем усиление.

Ошибка = Dleft - Dright

LeftH = LeftH – 200*Ошибка;

if(LeftH > 50*800) LeftH=50*800; // не более 50%

LeftL = 80000 - LeftH; // постоянный период

Наблюдение: В области систем управления популярным подходом является ПИД-управление, что означает пропорциональную интегральную производную. Приведенный выше простой алгоритм фактически реализует интегральный член ПИД-регулятора.Кроме того, два оператора if в управляющем программном обеспечении реализуют функцию, называемую защитой от сброса.

Эти уравнения контроллера выполняются в SysTick ISR, поэтому контроллер работает с периодической скоростью.

Рисунок 14.11. Блок-схема замкнутого контура, используемого в машине-роботе.

Видео 14.6b . Система управления роботом

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

магнитная запись, метод сохранения звуков, изображений и данных в виде электрических сигналов посредством избирательного намагничивания частей магнитного материала. Принцип магнитной записи был впервые продемонстрирован датским инженером Вальдемаром Поульсеном в 1900 году, когда он изобрел аппарат под названием "телеграфон", который магнитно записывал речь на стальной проволоке.

В годы, прошедшие после изобретения Поульсена, исследователи из Германии, Великобритании и США разработали устройства, использующие широкий спектр магнитных носителей записи. Основные из них — записывающие устройства на магнитные ленты и диски, которые используются не только для воспроизведения аудио- и видеосигналов, но и для хранения компьютерных данных и измерений приборов, используемых в научных и медицинских исследованиях. Другие важные магнитные записывающие устройства включают магнитный барабан, сердечник и пузырьковые блоки, разработанные специально для обеспечения дополнительного хранения данных для компьютерных систем.

Устройства с магнитной лентой. Магнитная лента представляет собой компактное и экономичное средство сохранения и воспроизведения различных форм информации. Записи на ленте можно сразу же воспроизвести, и они легко стираются, что позволяет повторно использовать ленту много раз без потери качества записи. По этим причинам лента является наиболее широко используемым из различных магнитных носителей записи. Он состоит из узкой пластиковой ленты, покрытой мелкими частицами оксида железа или другого легко намагничивающегося материала. При записи на ленту электрический сигнал проходит через записывающую головку, когда лента протягивается мимо, оставляя магнитный отпечаток на поверхности ленты. Когда записанная лента проходит мимо воспроизводящей или воспроизводящей головки, индуцируется сигнал, эквивалентный записанному сигналу. Этот сигнал усиливается до интенсивности, соответствующей выходному оборудованию.

Скорость ленты для звукозаписи варьируется от менее 2 дюймов (5 сантиметров) в секунду до 15 дюймов (37,5 см) в секунду. Видеосигналы занимают гораздо более широкую полосу пропускания, чем аудиосигналы, и требуют гораздо более высокой относительной скорости между лентой и головкой. Запись данных требует еще больших скоростей. Ленточный транспорт устройства хранения данных высокопроизводительного цифрового компьютера, например, должен иметь возможность перемещать ленту мимо головки со скоростью 200 дюймов (500 см) в секунду.

Магнитная лента изначально предназначалась для звукозаписи. Во время Второй мировой войны немецкие инженеры разработали магнитофон. Американские и британские исследователи использовали базовую конструкцию этого устройства для создания магнитофона, способного воспроизводить высококачественный звук в конце 1940-х годов. В течение десятилетия магнитная лента вытеснила записи фонографа для музыкальных радиопрограмм. К концу 1960-х широко использовались предварительно записанные ленты в виде картриджей и кассет для звуковых систем в домах и автомобилях.

С аудиокассетным магнитофоном связана система записи на магнитную ленту, которая служит телефонным автоответчиком. Сообщения или инструкции, предварительно записанные на пленку, автоматически воспроизводятся при наборе телефонного номера пользователя. Затем автоответчик включает записывающую головку, которая записывает любые сообщения, которые звонящий хочет оставить.

В 1956 году Чарльз П. Гинзбург и Рэй Долби из корпорации Ampex, американской компании по производству электроники, разработали первый практичный видеомагнитофон. Их машина произвела революцию в телевещании; записанные шоу практически заменили прямые телетрансляции, за некоторыми исключениями, такими как освещение спортивных событий. Почти все программы записываются на видео во время их первоначальных телетрансляций, а затем отдельные вещатели повторно запускают шоу в то время, которое наиболее удобно для их собственных зрителей. Все большее количество видеомагнитофонов используется для записи телевизионных передач, принимаемых в частных домах.Многие такие устройства могут снимать домашние фильмы, если они подключены к дополнительной видеокамере. На этих рекордерах также можно воспроизводить коммерчески выпускаемые видеокассеты с популярными кинофильмами. См. также видеомагнитофон.

Магнитная лента была представлена в качестве носителя данных в 1951 году, когда она использовалась во вспомогательной памяти UNIVAC I, первого цифрового компьютера, созданного для коммерческого использования. Примерно в течение следующих 10 лет почти во всех компьютерах использовались накопители на магнитной ленте. Однако к 1960-м годам вспомогательная память на магнитных дисках и магнитных барабанах начала заменять ленточные устройства в крупномасштабных научных и деловых системах обработки данных, которые требуют чрезвычайно быстрого извлечения хранимой информации и программ. Устройства с магнитной лентой, особенно использующие кассеты, продолжают использоваться в качестве основной формы вспомогательной памяти в мини- и микрокомпьютерах общего назначения из-за их низкой стоимости и большой емкости. На одном дюйме ленты может храниться около 48 000 битов информации.

Магнитные магнитофоны также широко использовались для записи измерений непосредственно с лабораторных приборов и устройств обнаружения, находящихся на борту планетарных зондов. Показания преобразуются в электрические сигналы и записываются на пленку, которую исследователи могут воспроизвести для подробного анализа и сравнения.

Читайте также: