20. Структурні схеми цифрових систем автоматичного регулювання

Перелік питань: структурна схема цифро-аналогової системи, цифро-аналогове і аналого-цифрове перетворення, структура математичної моделі цифро-аналогової системи, структурні схеми цифрової системи.

20.1. Структурна схема цифро-аналогової системи

Ріст вимог до якості керування, маси, габаритів, стабільності характеристик керуючих пристроїв, а також ускладнення об’єктів керування привело до застосування цифро-аналогових і цифрових систем автоматичного керування. В цифро-аналогових системах керуючий пристрій цифровий, а об’єкт керування неперервний. Керуючий пристрій в таких системах реалізований на елементах цифрової техніки. Це може бути цифрова ЕОМ, мікропроцесорний пристрій або не програмований дискретний пристрій. Схема цифро-аналогової автоматичної системи приведена на рис.7.1. В ній аналого-цифровий перетворювач (АЦП) забезпечує можливість застосування цифрового керуючого пристрою (ЦКП), а цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) дозволяє залишити в системі неперервний об`єкт керування (ОК).

 

Рис.20.1. Схема цифро-аналогової системи

 

Аналогово-цифровий перетворювач неперервний сигнал перетворює в цифровий, який поступає в цифровий керуючий пристрій. Основною задачею цифрового керуючого пристрою є перетворення послідовності вхідних цифрових сигналів e_ц(nT) в послідовність вихідних цифрових сигналів r_ц(nT) у відповідності з необхідним алгоритмом перетворення. Алгоритм є основною характеристикою ЦКП, який, як було зазначено вище, реалізують на основі ЕОМ, мікропроцесорного пристрою або у вигляді не програмованого дискретного пристрою. Цифро-аналоговий перетворювач одержаний ним з виходу цифрового керуючого пристрою цифровий сигнал перетворює в неперервний. Останній сприймається неперервним об’єктом керування як керуючий сигнал.

Для створення математичної моделі цифро-аналогової системи розглянемо більш детально механізм перетворення сигналів з аналогової форми в цифрову і навпаки.

20.2. Цифро-аналогове і аналого-цифрове перетворення

Неперервний сигнал перетворює в цифрову форму цифро-аналоговий перетворювач, структурна схема якого показана на рис. 20.2. Цифровим вважають дискретний в часі і одночасно квантований по амплітуді сигнал, тобто дискретний у двох вимірах сигнал, а також відповідний кодований сигнал. Тому до складу АЦП входить імпульсний елемент (ІЕ), прилад квантування амплітуди  (ПКА) і перетворювач амплітуди в код (А-К).

 

 

Рис. 20.2. Структура аналогово-цифрового перетворювача

 

Імпульсний елемент бере відліки неперервного сигналу з інтервалом дискретизації T, тобто перетворює неперервний сигнал в дискретний в часі сигнал. Останній фізично являє собою послідовність коротких імпульсів, амплітуди яких співпадають з величиною сигналу в момент дискретизації.

Пристрій квантування амплітуди змінює амплітуди поступивших на його вхід імпульсів, округлюючи амплітуду кожного імпульсу до найближчого значення в наборі квантованих значень цього пристрою. При округленні амплітуда імпульсу може зменшитись, опустившись до найближчого рівня квантування, може збільшитись, підтягнувшись до найближчого рівня квантування, а може і не змінитись, якщо амплітуда імпульсу виявилась такою ж, як і рівень квантування. В цілому операція квантування нелінійна. Характеристика вхід-вихід пристрою квантування, приведена на рис. 20.3, має вигляд ступеневих сходів. Висота ступені Dx  залежить від кількості рівнів квантування.

Таким чином, на виході пристрою квантування кожний квантований відлік відрізняється від неквантованого на випадкову величину e(nT), максимальне значення якої в разі рівномірного квантування не перевищує 0,5ּDх , де Dх - крок квантування. Останній залежить від розрядності r АЦП і визначається формулою

Dx = Х/(2 ^r -1),                                              (1)

де Х - діапазон амплітуд неперервного сигналу,

     (2 ^r -1) – кількість інтервалів квантування.

 

Рис. 20.3. Характеристика пристрою квантування

 

Цифро-аналоговий перетворювач (рис. 20.4.) послідовність кодованих цифрових сигналів y_ц(nT) спочатку перетворює в послідовність квантових дискретних сигналів y_кв(t), а потім за допомогою інтерполятора перетворює її в неперервний сигнал y(t). ЦАП складається з перетворювача (К-А) коду в амплітуду та екстраполятора (Е), який розширює кожний поточний імпульс до наступного.

 

Рис.20.4. Структура цифро-аналогового перетворювача