Ответы к ГосЭкзамену 220402 (Информатика) (1088974), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Поэтому МПСиспользуются для управления процессом измерения (реализацией алгоритма измерения), обработки опытных данных, хранения и вывода результатов измерения и пр.Цифровыми и интеллектуальными (со встроенными микроконтроллерами) в САУ могут быть идругие составные части: исполнительные устройства, каналы связи, задатчики воздействий, фильтры и т.п.Кроме перепрограммируемости, это даёт повышение надёжности за счёт гибкости конфигурации. Количество компьютеров, используемых для управления процессами производства и в задачах управления, нарастаетпрактически экспоненциально.4.
Аппаратные средства ввода и обработки аналоговых сигналов в микропроцессорных системах управления роботами. Сравнительный анализ аналого-цифровых преобразователей.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — устройство, преобразующее входнойаналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано даннымАЦП. Обычно измеряется в вольтах, поскольку для большинства АЦП входным сигналомявляется электрическое напряжение.
В случае единичного измерения без учёта шумовразрешение напрямую зависит от разрядности АЦП.Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать256 дискретных значений (0..255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28 = 256.Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений.Ниже перечислены основные способы построения электронных АЦП:АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала.
В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логический шифратор, генерирующий бинарныйцифровой код в зависимости от количества логических единиц, присутствующих на его входе. Данные с шифратора фиксируются в параллельном регистре, и, в общем случае, частота дискретизацииАЦП может зависеть лишь от аппаратных характеристик логических и аналоговых элементов, атакже от частоты требуемой выборки значений. Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов), так как влекут за собой большие аппаратные затраты. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе.
Часто используются для видео илидругих высокочастотных сигналов, а также широко применяются в промышленности для отслеживания быстро изменяющихся процессов в реальном времени.114Последовательно-параллельные АЦП[5] сохраняя высокое быстродействие позволяет значительноуменьшить количество компараторов, требуещееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два — три параллельных АЦП.
Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. Для увеличения скоростивыходного оцифрованного потока данных в последовательно-параллельных АЦП применяется конвейерная работа параллельных АЦП.АЦП последовательного приближения[6] или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N — разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от СЗР и заканчивая МЗР. Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем.
На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, более младшие биты установлены в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входныманалоговым значением. Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательномЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае 0.
Таким образом, определение итогового цифрового значения напоминает двоичный поиск. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением. Однако при отсутствии устройства выборкихранения погрешность будет значительно больше (представьте, что после оцифровки самого большого разряда сигнал начал меняться).АЦП дифференциального кодирования (англ. delta-encoded ADC) содержат реверсивный счётчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП.
Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счётчик код на счётчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАПкак можно меньше отличался от входного сигнала. По прошествии некоторого времени разницасигналов становится меньше, чем МЗР, при этом код счётчика считывается как выходной цифровойсигнал АЦП.
АЦП этого типа имеют очень большой диапазон входного сигнала и высокое разрешение, но время преобразования зависит от входного сигнала, хотя и ограничено сверху. В худшемслучае время преобразования равно Tmax=(2q)/fс, где q — разрядность АЦП, fс — частота тактовогогенератора счётчика. АЦП дифференциального кодирования обычно являются хорошим выборомдля оцифровки сигналов реального мира, так как большинство сигналов в физических системах несклонны к скачкообразным изменениям. В некоторых АЦП применяется комбинированный подход:дифференциальное кодирование и последовательное приближение; это особенно хорошо работает вслучаях, когда известно, что высокочастотные компоненты в сигнале относительно невелики.АЦП сравнения с пилообразным сигналом (некоторые АЦП этого типа называют Интегрирующие АЦП) содержат генератор пилообразного напряжения, компаратор и счётчик времени.
Пилообразный сигнал линейно нарастает до некоторого уровня, затем быстро спадает до нуля. В моментначала нарастания запускается счётчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровнявходного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счётчик; значение считывается со счётчика и подаётся на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счётчика и вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.АЦП с уравновешиванием заряда (к ним относятся АЦП с двухстадийным интегрированием,АЦП с многостадийным интегрированием и некоторые другие) содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счётчик импульсов.
Преобразование происходит в два этапа (двухстадийное интегрирование). На первом этапе значение входного напряженияпреобразуется в ток (пропорциональный входному напряжению), который подаётся на интегратортока, заряд которого изначально равен нулю. Этот процесс длится в течение времени TN, где T —период тактового генератора, N — константа (большое целое число, определяет время накоплениязаряда).
По прошествии этого времени вход интегратора отключается от входа АЦП и подключается к генератору стабильного тока. Полярность генератора такова, что он уменьшает заряд, накопленный в интеграторе. Процесс разряда длится до тех пор, пока заряд в интеграторе не уменьшится115до нуля. Время разряда измеряется путём счёта тактовых импульсов от момента начала разряда додостижения нулевого заряда на интеграторе.
Посчитанное количество тактовых импульсов и будетвыходным кодом АЦП. Можно показать, что количество импульсов n, посчитанное за время разряда, равно: n=UвхN(RI0)−1, где Uвх — входное напряжение АЦП, N — число импульсов этапа накопления (определено выше), R — сопротивление резистора, преобразующего входное напряжение в ток,I0 — значение тока от генератора стабильного тока, разряжающего интегратор на втором этапе.
Таким образом, потенциально нестабильные параметры системы (прежде всего, ёмкость конденсатораинтегратора) не входят в итоговое выражение. Это является следствием двухстадийности процесса:погрешности, введённые на первом и втором этапах, взаимно вычитаются. Не предъявляются жёсткие требования даже к долговременной стабильности тактового генератора и напряжению смещения компаратора: эти параметры должны быть стабильны лишь кратковременно, то есть в течениекаждого преобразования (не более 2TN). Фактически, принцип двухстадийного интегрирования позволяет напрямую преобразовывать отношение двух аналоговых величин (входного и образцовоготока) в отношение числовых кодов (n и N в терминах, определённых выше) практически без внесения дополнительных ошибок.
Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Дополнительным достоинством является возможность построения преобразователей,нечувствительных к периодическим помехам (например, помеха от сетевого питания) благодаряточному интегрированию входного сигнала за фиксированный временной интервал. Недостаткомданного типа АЦП является низкая скорость преобразования.
АЦП с уравновешиванием заряда используются в измерительных приборах высокой точности.Конвейерные АЦП используют два или более шага-поддиапазона. На первом шаге производитсягрубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница подвергаетсяпреобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размеркорпуса.АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов. Сигнал с датчикапроходит через преобразователь уровня, а затем через преобразователь напряжение-частота.
Такимобразом на вход непосредственно логической схемы поступает сигнал, характеристикой которогоявляется лишь частота импульсов. Логический счётчик принимает эти импульсы на вход в течениевремени выборки, таким образом, выдавая к её окончанию кодовую комбинацию, численно равнуюколичеству импульсов, пришедших на преобразователь за время выборки. Такие АЦП довольномедленны и не очень точны, но тем не менее очень просты в исполнении и поэтому имеют низкуюстоимость.Сигма-дельта-АЦП[7] (называемые также дельта-сигма АЦП) производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путём фильтрацииоставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.Неэлектронные АЦП обычно строятся на тех же принципах.5. Аппаратные средства формирования управляющих воздействий на исполнительные механизмы в микропроцессорных системах управления роботами.Управляющее воздействие- сигнал, поступающий на объект управления (регулирования) от задающего устройства или регулятора и влияющий на управляемую (регулируемую) величину объекта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
