Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 23

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 23)

Контрольные вопросы.

Асинхронные и синхронные, статические и динамические триггеры. Использование в САУ.

Регистры: типы, состав, назначение, примеры использования в САУ.

Схемы памяти. РПЗУ, динамическое и статическое ОЗУ, энергонезависимое ОЗУ.

ПЛИС: состав и особенности структуры, применение в САУ.

2.5. Средства цифроаналоговой обработки информации

Эти схемы используют одновременно информацию в цифровом и аналоговом виде и служат в САУ для коммутации аналоговых сигналов - коммутаторы, для преобразования ин-формации из цифрового представления в аналоговое – цифро-аналоговые преобразователи ЦАП (DAC – Discreet-Analog Converters) и из аналогово-го в цифровое - аналогово-цифровые преобразователи АЦП (ADC- Analog-Discreet Converters).

Цифроаналоговые преобразователи служат для преобразования сигнала , представ-ленного в цифровой форме в аналоговое представление. Информация о величине в дискрет-ном виде представляет из себя некоторое многоразрядное двоичное число. Например , в деся - ти разрядном двоичном числе можно задать величину от нуля до 1023 в прямом коде или от - 512 до +511 в дополнительном. Прежде всего, следует определиться, какому диапазону ана-логового сигнала соответствует диапазон изменения двоичных чисел. Для этого использует-ся опорное напряжение преобразования Uref, величина которого соответствует диапазону изменения информации в цифровом виде. Цену одной дискреты двоичного разряда (младше-го бита) Ud и величину выходного аналогового сигнала Ua можно определить по формулам, зная разрядность представления n и величину сигнала в дискретной форме N:

U_d = ^U₂^ref_n

Основой ЦАП является суммирующий усилитель (см. рис. 2.15, г). Если на все входы через аналоговые ключи подать опорное напряжение, а соотношения входных резисторов Ri с резистором обратной связи Ro взять для первого входа 1/2, для второго 1/4 и так далее, мы и получим цифро-аналоговый преобразователь. Ключи должны управляться преобразуемым двоичным числом N.

Недостатком такой схемы является очень большой разброс номиналов резисторов, их неудобно делать в интегральном исполнении, поэтому входную цепь делают в виде рези-стивной матрицы, получившей название R-2R. Она выполняет те же функции, но содержит лишь резисторы, отличающиеся по номиналам вдвое.

Очень важным элементом ЦАП является источник опорного напряжения Uref. От его точности и температурной стабильности непосредственно зависит точность задания выход-ного сигнала.

В настоящее время выпускается множество ИС ЦАП, отличающихся между собой це-лым рядом параметров. Во-первых – разрядностью преобразования от восьми до двадцати четырех разрядов . Во-вторых – способом ввода информации. Преобразуемое число, управ-ляющее ключами ЦАП, хранится обычно в регистре. Это может быть регистр с параллель-ным вводом информации, подобный изображенному на рис . 2.24. В нем информация в ре-гистр заносится с шины данных за один такт, а может быть регистром с последовательным вводом, когда информация в ячейки записывается побитно. Это конечно дольше, но не тре-

Рис.2.28. АЦП поразрядного взвеши-вания.

65

бует большого числа выводов. Различаются ЦАП и быстродействием, т.е. временем установ-ления выходного сигнала после изменения состояния преобразуемого числа. Оно обычно достаточно высоко и, чаще всего, не оказывает решающего влияния на выбор.

Аналого-цифровые преобразователи АЦП (ADC) служат для преобразования сиг-

нала, представленного в аналоговой форме в цифровое представление, обычно, для после-дующей обработки его в вычислительном ядре САУ.

Прежде всего, характеризуются разрядностью и точностью преобразования. Точность обычно соответствует младшему разряду, хотя у многоразрядных АЦП погрешность может быть и больше. Так же, как у ЦАП, помимо внутренних характеристик, точность напрямую определяется точностью задания опорного напряжения.

По времени преобразования АЦП делятся на сверхбыстрые, они обычно реализуют па-раллельное преобразование и преобразуют за один такт, быстрые – реализуют метод поразряд-ного взвешивания и преобразуют за число тактов, равное разрядности преобразования и мед-ленные. В медленных АЦП преобразование выполняется методом двойного интегрирования.

АЦП параллельного преобразования состоят из резистивного делителя, задающего уровни напряжения, соответствующие двоичному n-разрядному числу и набора компараторов, сравнивающих преобразуемую величину Ain с этими уровнями. В простейшем случае, когда преобразование одноразрядное, достаточно одного уровня и одного компаратора. При восьми-разрядном преобразовании потребуется уже 255 компараторов и задатчик 255 уровней, т.е сложность схемы растет быстрее, чем 2ⁿ, где «n » - разрядность преобразователя. ИС АЦП параллельного преобразования выполняют обычно восьми - десяти разрядными, при этом типовое время преобразования составляет порядка 100 нс.

АЦП поразрядного взвешивания содержат формирователь кода, его обычно называ-ют регистр последовательного приближения РПП , цифро-аналоговый преобразователь ЦАП и компаратор К (рис.2.28). Получив сигнал на начало преобразования Start, преобразователь начинает его осуществлять.

Компаратор сравнивает входной сигнал Ain с выходом ЦАП Odac (пока ячейку Т/Н во внимание не принимаем). На выходе компаратора будет ноль, если входной сигнал Ain мень-ше выходного сигнала ЦАП и единица в противном случае. Так что, последовательно увели-чивая содержимое РПП, пока выход компаратора в нуле, мы получим регистре тот первый код, аналоговый эквивалент которого превысит значение Ain. Поставленная задача решена,

правда, весьма неэффективно. Проделанную ра-боту можно сократить.

Вспомним старую притчу о поиске фальшивой монеты, которая чуть легче осталь-ных . Поделим кучу на две части и сравним их вес, затем более легкую кучу снова пополам и так далее. Воспользуемся методом половинного деления для нахождения дискретного числа , чей аналоговый эквивалент наиболее близок к Ain. Для простоты допустим, что у нас преобразова-ние восьмиразрядное. Наибольшее число, раз-мещаемое в байте – 255 или 11111111, его по-

ловина 128 или 1000000. Если выход компаратора окажется в нуле , ищем число в верхней половине и устанавливаем на ЦАП 128+64=192 или 1100000, если в единице – ищем в ниж-ней половине: ЦАП:=64 или 01000000. Снова наблюдаем выход компаратора и т.д. до самого младшего разряда.

Вы, очевидно, уловили закономерность при обработке каждого разряда: устанавлива-ем разряд в единицу, если выход компаратора в нуле , обнуляем разряд и переходим к млад-шему, иначе – переходим к младшему. Запишите этот алгоритм, как процедуру на Паскале.

Как видите, алгоритм весьма прост, он реализован аппаратно в специальном регистре – ре-гистре последовательных приближений РПП (рис.2.28) и запускается при подаче сигнала Start.

66

Но если в процессе преобразования цифруемый сигнал Ain заметно изменится, про-цесс может не сойтись, поэтому на входе АЦП поразрядного взвешивания предусматривают специальную ячейку аналоговой памяти Т/Н (Track end Hold). В начале преобразования ключ (рис.2.28) на МОП транзисторе на короткое время (несколько десятков наносекунд) замыка-ется, конденсатор С заряжается до Ain и затем хранит заряд, поскольку входное сопротивле-ние усилителя ячейки Т/Н велико. Запомнив, таким образом, в начале преобразуемую вели-чину, мы в процессе преобразования удерживаем ее неизменной, гарантируя сходимость процесса.

Об окончании преобразования нам сообщает сигнал Ready (готово), который в начале преобразования устанавливается в нуль, а в конце вновь восстанавливается в единицу. Те-перь содержимое РПП равно коду преобразуемой величины и его можно считать, используя сигнал чтения (/RD), по которому выходы регистра переводятся из высокоимпедансного со-стояния в активное.

Достаточно малое время преобразования (единицы микросекунд), удобное сопряжение с микропроцессорами, высокая точность и разрядность наряду с относительной дешевизной, обу-славливают наибольшее применение в современных САУ АЦП поразрядного взвешивания. Друг от друга они отличаются рядом особенностей, во-первых – разрядностью (от 8-и до 24 раз-рядов). АЦП, как и ЦАП бывают с параллельным и последовательным вводом информации, причем, многоразрядные АЦП обычно делают с последовательным вводом. Последовательный канал для ввода преобразуемого числа также выполняют по разному. Обычно это синхронная или асинхронная радиальная линия, например, RS-232 как и у цифроаналоговых преобразовате-лей. Различаются АЦП и быстродействием, т.е. временем преобразования (от единиц до не-скольких десятков микросекунд. Часто АЦП имеют встроенный источник опорного напряжения Uref, его наличие заметно облегчает использование ИС, тем более, он бывает должным образом согласован с точностью и разрядностью преобразования.

Интегрирующие АЦП содержат интегратор, генератор и счетчик импульсов и ком-паратор, сравнивающий значение преобразуемого напряжения Ain с выходом интегратора. При получении сигнала на начало преобразования обнуляются интегратор и счетчик. Инте-гратор начинает интегрировать сигнал опорного напряжения, а счетчик ведет счет импульсов генератора до тех пор, пока выход интегратора не превзойдет значение сигнала Ain. Полу-ченный результат и является цифровым значением аналогового сигнала Ain. Он существенно зависит от долговременной стабильности генератора, поэтому в настоящее время использу-ют в основном метод двойного интегрирования, в котором удается избежать этого недостат-ка. При этом методе входной сигнал Ain интегрируется в течение определенного числа им-пульсов задающего генератора Nо. Это предельное значение, до которого может считать счет-чик. Затем, как только счетчик переполнится, начинает интегрироваться опорное напряжение обратной, по отношению к входному сигналу , полярности. Счетчик при этом, после перепол-нения, начинает считать с нуля и продолжает счет до тех пор, пока выходной сигнал интегра-тора не обнулится. Содержимое счетчика – есть цифровой эквивалент входного сигнала Ain.

Попробуйте самостоятельно доказать это.

Время преобразования АЦП двойного интегрирования составляет уже десятки милли-секунд. Такие АЦП широко используются в настоящее время в различных тестерах, индика-торах и других приборах, где быстродействие некритично. Они недороги и часто снабжены светодиодным или жидкокристаллическим индикатором.

Дельта-сигма преобразователи относятся к классу интегрирующих. По принципу дей-ствия и параметрам сходны с АЦП двойного интегрирования. Здесь интегратор в течение времени, определяемого разрядностью счетчика, интегрирует то разность входного сигнала Ain и опорного напряжения Uref , то только входной сигнал так , чтобы на выходе интеграто-ра был сигнал, близкий к нулю. Причем, в выходном счетчике импульсы считаются лишь в те моменты времени, когда суммируется разность Ain и Uref . Код, накопившийся за время преобразования в счетчике, представляет цифровой эквивалент аналогового сигнала.

67

Нишу, где требования к времени преобразования не критичны, заняли сейчас в основ-ном интегрирующие преобразователи (двойного интегрирования и дельта-сигма преобразо-ватели).

В заключение на рис.2.29 приведем классификацию АЦП.

Рис.2.29. Классификация АЦП.

Контрольные вопросы.

Цифроаналоговые преобразователи. Схемотехническое построение.

Классификация и обзор аналогово-цифровых преобразователей.

АЦП параллельного действия и поразрядного взвешивания.

Медленные АЦП: АЦП двойного интегрирования, дельта-сигма преобразователи.

Характеристики

Список файлов книги