2.Преобразующие устройства.

Преобразующие устройства служат для преобразования одной физической величины в другую, а также для преобразования электрических сигналов. В параграфе 1.1.4 первого раздела мы познакомились с одним из видов преобразующих устройств. Это нормирующие межсистемные преобразователи. В этом разделе рассмотрим преобразующие устройства необходимые для преобразования электрических сигналов. Однако во многих системах преобразующие устройства отсутствуют.

2.1. Преобразователи дискретных сигналов последовательного типа.

Преобразователь дискретного сигнала, приведенная на рис. 1 можно применить для отключения или включения исполнительного органа, через определенное количество импульсов поступающие на вход преобразователя. Количество импульсов, зависит от постоянной времени RC цепи, а также от длительности импульса и частоты. Такое устройство можно применить для отключения электродвигателя через определенное количество оборотов вала, которые соответствуют числу импульсов.

Рис.1.

При подачи импульсов от датчика оборотов положительной полярности на вход устройства на конденсаторе С1 растет заряд (напряжение) и пьезопластина начинает изгибаться. При достижении порога срабатывание отключается исполнительный орган и разряжается конденсатор (с помощью контактов 1, 2) пластина выпрямляется и устройство снова готово к работе. На графике рис.1 б) видно, что исполнительный орган отключится после трех импульсов.

На преобразователях дискретного сигнала также можно сконструировать реле времени (например, на шаговом искателе).

2.2. Преобразователи электрических сигналов

В системах управления и регулирования широко используются сигналы, представленные как в виде непрерывных переменных, так и в виде дискретных двоечных сигналов. Для взаимодействия электронных устройств САУ, обрабатывающих непрерывные (аналоговые) сигналы, с устройствами, оперирующими дискретными двоечными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Сейчас выпускается широкая номенклатура ЦАП и АЦП. Эта потребность объясняется тем, что большинство переменных величин (ток, напряжение, скорость, температура и т. д.) представляются в аналоговой форме. Непосредственная обработка этих величин цифровыми устройствами невозможна без предварительного представления в виде цифрового N-разрядного слова. Эту операцию осуществляют АЦП. Для точного управления изменениями аналоговых величин необходимо преобразовать цифровую информацию в аналоговую с помощью ЦАП.

Преобразователи АЦП можно разделить по характеру преобразования:

- последовательного типа;

- параллельного типа.

К основным характеристикам АЦП относятся число разрядов, время преобразования, нелинейность и др.

Разрешающая способность АЦП является величиной обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП.

Время преобразования tпр – интервал времени от момента заданного значения изменения сигнала на входе АЦП, до появления на его выходе устойчивого кода.

Известно большое число методов преобразования аналоговых величин в цифровые. Это методы последовательного приближения, параллельного преобразования и двухтактного интегрирования. Первый метод обеспечивает удовлетворительное сочетание точности и быстродействия, второй – возможность достижения высокого быстродействия, а третий – точность.

Блок схема преобразователя последовательного (типа) счета.

Рис. 2.

Рассмотрим принцип действия преобразователя. Во времяимпульсном преобразователе в зависимости входного напряжения вырабатывается импульс, длительность которого зависит от величины входного напряжения. Этот импульс поступает на вход схемы И, а на другой вход импульсы со стабильной частотой. На выходе этой схемы появляется пачка импульсов, которые подсчитывает счетчик Сч. На выходе счетчика появляется код пропорциональный входному напряжению.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначен для преобразования цифровых сигналов в аналоговый сигнал. Такие преобразователи необходимы, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения. Другой пример использования преобразователя такого типа, это получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, работа которых определяется непосредственно аналоговым сигналом.

К основным параметрам ЦАП относятся разрешающая способность, время установления, погрешность нелинейности. Разрешающая способность – величина обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Погрешность нелинейности это максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом по отношению к идеальной прямой.

Блок схема ЦАП представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема ЦАП обычно содержит матрицу на резисторах, управляемые ключи, источник опорного напряжения и операционный усилитель (ОУ). На рис. 3 представлена схема ЦАП с резистивной матрицей вида R – 2R. Выходное напряжение этого ЦАП:

Uвых=Uоп Rос/Rм.

Где: Rм – сопротивление матрицы R – 2R между точками Uоп и инвертирующим входом ОУ. В свою очередь, сопротивление Rм зависит от того, подключены резисторы 2R к общей шине или инвертирующему входу ОУ. Напряжение на выходе зависит от значения цифрового N-разрядного слова на входах ЦАП.

Рассмотрим упрощенную схему ЦАП на дискретных элементах для преобразования числа в пропорциональный ему аналоговый сигнал (ток). Эта схема применяется в быстродействующих устройствах САУ.

Схема ЦАП представлена на рис. 4.

Рис. 4.

Ток каждого из i разрядов коммутируется с помощью диодов, и включаются в выходную цепь ЦАП, создавая вместе с остальными включенными разрядами ток компенсации Iк или отводится соответствующим триггером регистра опроса. Для этой схемы за «0» принят уровень +1,5В, а за «1» уровень -1,5В. На базе рассмотренного ЦАП код-ток может быть собран быстродействующий преобразователь код-напряжение, используя для суммирования токов операционный усилитель (ОУ).

В настоящее время выпускается широкая номенклатура преобразователей ЦАП и АЦП выполненных на микросхемах (БИС). Рассмотрим функциональную схему АЦП микросхемы К1113ПВ1 и схему подключения рис. 5.

а) – функциональная схема: 1 – ЦАП; 2 – регистр последовательного приближения (РПП); 3 – буферный усилитель; 4 – компаратор; 5 – схема управления сдвигом нуля; 6 – генератор; 7 – источник опорного напряжения; 8 – делитель; 9 – схема формирования сигнала «Готовность данных»; 10 – схема управления преобразованием и выводом данных.

б) – схема включения. Выводы: 1 (9-й разряд) – 9 (СЗР) – цифровые выходы; 10 – плюс Uип; 11 – вход управления выводом и вводом данных; 12 – минус Uип; 13 – аналоговый вход; 14 – «аналоговая земля»; 15 – управление сдвигом нуля; 16 – «цифровая земля»; 17 – выход готовности данных; 18 – МЗР.

Рис. 5.

На рис. 6 а) показана структурная схема 12-разрядного биполярного ЦАП К1108ПА1Б, имеющего время установления выходного сигнала tуст=0,4мкс.

Без внешнего ОУ схема имеет максимальное выходное напряжение ±1В.ЦАП работает от ТТЛ-уровней, а на рис. 6 б).показана схема включения в однополярном режиме.

а) функциональная электрическая схема: 1 – токовые ключи; 2 – параллельный регистр; 3 - температурная компенсация; 4 – матрица R – 2R; 5 – компаратор;

б) – схема включения в однополярном режиме: 1 – плюс Uип; 2 – минус Uип; 3 – коррекция ОУ; 4,5 – опорные напряжения; 6 – общий; 7 – резистор; 8 - выход; 9, 10 – резисторы обратной связи; 11 - инвертирующий вход ОУ; 13 (МЗР) – 24 (СЗР) – цифровые входы.

Рис. 6.

Преобразователи АЦП и ЦАП могут применяться в виде микросхем для использования в САУ более ранних выпусков. В настоящее время эти преобразователи находятся в самих устройствах УЧПУ, например, в устройстве САУ 2Р22 или «Электроника НЦ – 31». В современных измерительных преобразователях уже находятся преобразователи АЦП и ЦАП.