1.7. Устройства для связи микроЭвм с объектами управления

МикроЭВМ управляют станками и игровыми автоматами, ходом научных экспериментов и доильными аппаратами, автомобилями и роботами. В этих (а также других) устройствах, приборах и системах используется много серийных электрических датчиков и исполнительных органов (например электродвигателей), работающих с непрерывными (аналоговыми) электрическими сигналами. Для связи таких датчиков и исполнительных органов с микроЭВМ требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала, и наоборот.

Процедура аналого—цифрового преобразования состоит из двух этапов: дискретизации по времени (выборки) и квантования по уровню. Процесс дискретизации состоит из измерения значений непрерывного сигнала X(t) только в дискретные моменты времени О, Т, 2Т, .... отстоящие друг от друга на величину периода дискретизации T.

Такой измерительный процесс, если он реализуется без необходимых мер предосторожности, может привести к возникновению значительных погрешностей. Важно иметь достаточное число отсчетов за единицу времени для правильного представления существенной информации, содержащейся в высокочастотной составляющей этого сигнала. В то же время частые измерения требуют увеличения быстродействия преобразования и обработки, а следовательно, сложности и стоимости преобразователя. Поэтому темп дискретизации необходимо поддерживать на минимально допустимом уровне, при котором составляющая общей погрешности, обусловленная процессом дискретизации, не превышает установленных пределов.

Для квантования диапазон изменения входного сигнала подразделяется на равные интервалы (уровни квантования): ....—5АХ/2, —ЗДХ/2, — АХ/2. АХ/2, ЗДХ/2. 5ДХ/2. где АХ—интервал (шаг квантования). Операция квантования сводится к определению того интервала, в который попало дискретизированное значение Х(/)» и к присваиванию выходному значению Х*(/) цифрового кода, соответствующего значению центра найденного интервала. При такой замене может быть допущена ошибка, равная ДХ/2. Для ускорения процесса преобразования, упрощения и удешевления преобразователя надо выбирать максимально допустимый шаг квантования, при котором еще не появляются большие погрешности.

При проектировании систем, в которых должны использоваться аналого—цифровые или цифроаналоговые преобразователи, следует иметь хотя бы минимальное представление о принципах работы этих преобразователей.

Устройства для связи ЭВМ с объектами управления. ЦАП. – цифро-аналоговое преобразование сигналов.

При проектировании систем, в которых должны использоваться аналого – цифровые или цифро – аналоговые преобразователи, следует иметь хотя бы минимальное представление о принципах работы этих преобразователей.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) служит для преобразования числа в пропорциональную аналоговую величину, представленную в виде электрического напряжения, тока и т. п. Цифровая информация вводится чаще всего в виде параллельного кода преобразуемого числа, а аналоговая информация представлена в виде одного сигнала, величина которого является носителем информации. Аналого—цифровой преобразователь служит для преобразования аналогового сигнала (например электрического напряжения) в код числа. Существует много способов построения АЦП, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. В серийных полупроводниковых интегральных АЦП наибольшее распространение получили два из них: последовательное приближение и параллельное преобразование.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровой двоичный код Q4Q3Q2Q1 в аналоговую величину, обычно напряжение Uвых. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный «вес»; вес i-ro разряда вдвое больше, чем вес (i—1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

(1)

где е — напряжение, соответствующее весу младшего разряда; Qi — значение i-ro разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует Uвых =е(1 • 1+0-2+ -4-0-4+1-8) =9е, а числу 1100 Uвых =е(0-1+0-2+1 -4+! + 1-8) = 12е.

Упрощенная схема реализации ЦАП представлена на рис. 1.

Р ис. 1 – Цифро-аналоговый преобразователь

В схеме i-й ключ замкнут при Qi=l, при Qi=0 — разомкнут. Резисторы подобраны таким образом, что эквивалентное сопротивление обведенного пунктиром двухполюсника Rэк и сопротивление нагрузки Rн образуют делитель напряжения, тогда

(2)

Проводимость двухполюсника 1/Rэк равна сумме проводимостей ветвей (при Qi=1 i-ветвь включена, при Qi=0 i -ветвь отключена).

(3)

Подставив (3) в (2), получим выражение, идентичное

. (4):

Очевидно, что e=8ERн/R. Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины.

Устройства для связи ЭВМ с объектами управления. АЦП – аналого–цифровое преобразование сигналов.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Существует несколько способов создания АЦП.' Рассмотрим в упрощенном виде наиболее распространенный способ построения. Структурная схема представлена на рис. 2, а.

Рис. 2. Аналого-цифровой преобразователь

АЦП состоит из мультивибратора, генерирующего тактовые импульсы С (рис. 2,6), реверсивного счетчика, подсчитывающего тактовые импульсы, ЦАП и компаратора К. Реверсивный счетчик работает на сложение при подаче сигнала 1 на вход «+» и на вычитание при сигнале 0 на названном входе.

На первый вход компаратора подан входной аналоговый сигнал — напряжение Uвх. В момент t схема включена в работу, исходное состояние счетчика Q1 = Q2 = Q3=Q4=0. На выходе ЦАП Uс=0 — аналоговый эквивалент кода, записанного в счетчике, т. е. нулевой сигнал. При Uвх— Uс >0 сигнал компаратора положительный, этот сигнал подается на вход «+» счетчика, который работает на сложение. С каждым импульсом С код счетчика начинает увеличиваться, пока сигнал ЦАП не превысит Uвх. Компаратор переключается, на вход «+» подается нулевой сигнал и счетчик переходит в режим работы на вычитание. Очередной импульс С уменьшает код счетчика, уменьшается сигнал на выходе ЦАП, компаратор снова переключится в первоначальное положение и так далее. При этом напряжение на выходе ЦАП колеблется около значения Uвх.. Напряжение Uс на выходе ЦАП однозначно с кодом счетчика, поэтому код счетчика соответствует значению Uвх. Выходной сигнал АЦП снимается с разрядов реверсивного счетчика.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) служит для преобразования числа в пропорциональную аналоговую величину, представленную в виде электрического напряжения, тока и т. п. Цифровая информация вводится чаще всего в виде параллельного кода преобразуемого числа, а аналоговая информация представлена в виде одного сигнала, величина которого является носителем информации.

Существует множество способов построения ЦАП, но наиболее часто применяют схемы, построенные на операционном усилителе и резисторах .

Есть также и ЦАП, основанные на других принципах преобразования цифрового кода в напряжение или ток.

Нетрудно заметить, что для повышения точности представления числа недостаточно простого увеличения разрядности ЦАП. Необходимо также повышать точность изготовления резисторов, стабильность опорного напряжения Е, линейность операционного усилителя и ряд других параметров схемы. Поэтому выбор того или иного серийного ЦАП только по одному параметру — разрядности — является грубейшей ошибкой.

Аналого—цифровой преобразователь служит для преобразования аналогового сигнала (например электрического напряжения) в код числа. Существует много способов построения АЦП, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. В серийных полупроводниковых интегральных АЦП наибольшее распространение получили два из них: последовательное приближение и параллельное преобразование.

В АЦП, построенных по методу последовательного приближения, используются регистр последовательного приближения, ЦАП, сравнивающее устройство (компаратор), тактовый генератор и схема управления. Перед измерением все разряды регистра устанавливаются в 0. При получении приказа на преобразование каждый из разрядов регистра, начиная со старшего, поочередно устанавливаются в 1.

Если выходной сигнал ЦАП, связанного с этим регистром, не превышает уровня входного аналогового сигнала, разряд остается в состоянии 1; в противном случае разряд сбрасывается обратно в 0. Для n-разрядного АЦП необходимо совершить п таких шагов. Подобный процесс может быть представлен как двоичный поиск, начинающийся с середины. В модуле АЦП последовательного приближения имеются вход «Начало преобразования» и выход «Преобразование выполнено». Все такие преобразователи имеют параллельный цифровой выход (все разряды выводятся одновременно по п-разрядной шине) и, как правило, еще и последовательный выход (и разрядов выходного кода выдаются последовательно, начиная со старших разрядов, по одной линии).

АЦП последовательного приближения обладают относительно высокой точностью и достаточно высоким быстродействием: для и-разрядного преобразования требуется выполнить только п обращений к ЦАП, который может выполнить одно преобразование за время от десятых долей до нескольких микросекунд (в зависимости от типа и разрядности). Для того, чтобы изменение аналогового сигнала во время от начала преобразования до его окончания не влияло на точность преобразования, обычно используют специальные схемы, запоминающие аналоговый сигнал. Устройства выборки—хранения обеспечивают выборку мгновенного значения аналогового сигнала и хранение его с заданной точностью во время преобразования в АЦП. Существуют АЦП и со встроенными схемами выборки—хранения.

Значительно большим быстродействием отличаются АЦП параллельного кодирования. В них для преобразования аналогового сигнала в n-разрядный двоичный код используется 2^п~ компараторов (сравнивающих устройств). На один из двух дифференциальных входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов равна Е/2, где Е — опорное напряжение, соответствующее максимальному значению преобразуемого аналогового сигнала. Другие входы компарато­ров объединены, и на них подается входной сигнал. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору.

Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом мгновенного кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора и составляет несколько десятков наносекунд.