Двоичная система счисления строится на использованииоснованиячисла «2», ее масштабная таблица (см. Табл. 4.2).

Таблица 4.2
32	16	8	4	2	1	½	¼	1/8	1/16	1/32
25	24	23	22	21	20	2-1	2-2	2-3	2-4	2-5

053

Таким образом, несмотря на то, что в двоичной системе используется только 0 и 1, с помощью комбинаций многоразрядных чисел (кодовых слов), содержащих только эти символы, можно выразить любое десятичное число.

В цифровой и вычислительной технике, каждый разрядкодового слова принято называть битом информации (длякаждого бита информации возможно два состояния — 1 и 0).

Таким, образом, если двоичное число (кодовое слово) состоит из восьми разрядов, то говорят, что оно содержит восемь битов информации, или является 8-битным.

Чаще всего, разрядность кодовых слов берется кратным восьми. (0000000,1000000, 11000000 и т.д. до 11111111)

Используются 8-битовые, 16-битовые, 24-битовые, 32-битовые и т. п. кодовые слова. Компьютеры оперируют единицами информации, называемыми словами, длина которых в различных машинах составляет от 8 до 60 бит.

В цифровой и вычислительной технике 8 бит информации называют одним байтом.

И так один двоичный разряд называется битом, 8 битов составляют байт.

Максимальное десятичное число, которое можно представить одним байтом(состоящим из 8 бит), - это 255 (11111111).

Поскольку, для каждого бита информации возможно два состояния — 1 и 0, нетрудно подсчитать, какое количество дискретных уровней сигнала может быть описано однобайтным, двухбайтным и т. п. кодовым словом.

Итак, общее число различных уровней, которые могут быть описаны 8-разрядным (восьмибитным или однобайтным) кодовым словом, равно 2⁸ = 256 (0000000, 1000000,1100000 и т.д до 11111111) , а 16-разрядным словом, — 2¹⁶ = 65536.

Подобным образом, 24-битная система допускает 2²⁴ = 16. 777.216 различных уровней, но требуется в полтора раза больше памяти для сохранения каждого слова (24/16 = 1S), чем в 16-битной.

При использовании цифровой обработки аналоговый сигнал должен быть сначала преобразован в цифровой с помощью таких операций, как дискретизация по времени и дискретизация по уровню (квантование).

Первая процедура — фиксация процесса через определенные промежутки времени, называемая дискретизацией.

Вторая процедура — приведение значения зафиксированного параметра к одному из разрешенных дискретных уровней, называемая квантованием.

Дискретизация осуществляется с помощью специального электронного ключа, работающего с периодом Т от опорного высокостабильного генератора. (упрощённо это можно представить в виде реле, контакты которого размыкаются с большой скоростью, а затем замыкаются, пропуская аналоговый сигнал дискретно по времени).

054

Как уже говорилось выше, квантованием называют процесс приведения уровней дискретных отсчетов к фиксированным значениям.

При этом, произвольное значение отсчета сравнивается с набором фиксированных уровней квантования, а затем заменяется на ближайшее из них.

Величина напряжения (тока) исходного аналогового сигала может принимать теоретически бесконечное количество произвольных значений (в пределах динамического диапазона сигнала), таким образом, уровень дискретного отсчета после квантования неточно соответствует произвольному значению отсчета исходного аналогового сигнала.

Эту погрешность принято называть шумами квантования.

Чем больше набор допустимых дискретных уровней квантования, тем меньше будут шумы квантования.

На практике, при обработке сигналов часто применяется 256 уровней квантования и более.

После квантования следует процесс кодирования.

При этом, в зависимости от дискретного уровня квантования, квантованный отсчет заменяется двоичным числом, иначе называемом цифровым словом которое является кодом исходного аналогового сигнала в фиксированный момент времени.

Таким образом, цифровой сигнал представляет собой последовательность цифровых слов, записываемых через равные интервалы в цифровую память.

055

Например надо определитьамплитуду напряжения аналогового сигнала

в первом «столбике» рисунка цифрового сигнала после дискредитации.

Двоичные числа
0 57
В двоичной системе счисления при перемещении на одну позицию влево значение числа увеличивается вдвое. Например, в двоичном числе 10110000 единицы стоят в позициях, представляющих десятичные числа 128, 32 и 16. Складывая эти числа, получаем 176. 058

Мы назначаем дискретный уровень 11.000. 000 (192) равный нулю, тогда АЦП начинает методом последовательных приближений искать наиболее близкий дискретный уровень к измеренной амплитуде сигнала, это будет 10.110.111 (176)

Простой 8-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП),действуя так называемым методом последовательных приближений, «пытается» определить входное напряжение, генерируя пробные уровни напряжения от 0 до 255.

При этом АЦП меняет уровень напряжения каждый раз на 1 бит.

060

Среднее пробное значение10.000.000 (соответствует 256/2 или 128) оказывается слишком низким, а при добавлении следующего бита уровень 11.000.000 (192) становится слишком высоким. Приравнивая этот бит нулю, а следующий - единице, АЦП получает число 10100000 или 160, которое меньше амплитуды сигнала.

Но при добавлении следующего бита получается подходящее число 10110000, или 176.

После обработки с помощью цифровых фильтров, цифровой сигнал преобразуется снова в аналоговый. Таким образом, структурную схему цифровой обработки аналогового сигнала можно представить в следующем виде (рис.1):

061

Рис. 7.09. Блоки дискретизации по времени и квантования по уровню образуют аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

В цифровых системах передачи информации сигнал с выхода приемника снимается непосредственно в цифровой форме.

При этом отпадает необходимость в блоках АЦП. В ряде случаев потребитель информации также использует обработанный сигнал в цифровой форме. При этом отпадает необходимость в ЦАП (цифро-аналоговом преобразователе).

Лекция: АСНИ (сокращенный вариант)

Решение вопроса третьего этапа работ — разработка диагностической модели, которая устанавливает связь между состоянием инструмента и его отображением в диагностических сигналах, требует специальных трудоемких исследований. Для их выполнения разработаны стенды автоматизированной системы научных исследований (АСНИ).

Для проведения исследований применяются разнообразные технические устройства, скомпонованные в виде исследовательского стенда. В зависимости от оснащенности стенды подразделяют на неавтоматизированные и автоматизированные.

Неавтоматизированный стенд представляет собой металлорежущий станок, пресс, молот, ГША, ГКМ и др., оснащенный первичными преобразователями (датчиками)информации, поступающей из зоны обработки металла, аналоговой аппаратурой обработки информации — усилителями, фильтрами, детекторами и регистрирующими приборами — осциллографами, вольтметрами и др.

Использование таких стендов позволяет решать задачи по выявлению возможных изменений в режущем инструменте в зависимости от условий его эксплуатации, критериев состояния и отказа инструмента, а также изучать отображение этих изменений в информации, поступающей от датчиков из зоны обработки, с последующим эвристическим анализом зарегистрированной информации.

Обработку полученной информации производит исследователь, поэтому от его квалификации, тщательности проведения вычислительных процедур будут зависеть результаты исследований

Главный недостаток неавтоматизированных стендов состоит в том, что исключается возможность использования результатов анализа в ходе выполнения эксперимента, т. е. отсутствует возможность построения ≪обратной связи≫, работающей в реальном масштабе времени.

Практически, в связи со сложностью необходимости диагностирования различных факторов одновременно влияющих на правильное и точное функционирования технических систем, это не возможно без дополнительной обработки информации и представления в форме, удобной для анализа: в виде графиков, таблиц, гистограмм.

Сокращение трудоемкости решения этих задач достигается применениемв составе стенда вычислительной техники и устройств, позволяющих вводить в ЭВМ информацию и выводить из ЭВМ результаты анализа.

Человек должен быть максимально исключен из процедур сбора и переработки измерительной информации и принятия решения.

Это достигается путем создания автоматизированной системы научных исследований (АСНИ), являющейся в то же время прообразом разрабатываемой системы диагностирования.

Автоматизация измерений не принижает роль исследователя, а, наоборот, повышая производительность его труда, требует более высокого уровня знаний не только в предметной области, но и в тех вопросах, которые решаются при приеме и обработке измерительной информации.

АСНИ помимо разработки систем эксплуатационного диагностирования используют для решения других задач, указанных в табл. 5.1.

062