2. Организация ввода-вывода сигналов и данных (1245060), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Реально же сигнал на выходе появляется через какое-то время, которое включаетвнутренние задержки и время нарастания Uвых.Цифровые системы управления работают при непрерывно изменяющихся значениях входных ко-дов. Поэтому считывание значений напряжения с выхода ЦАП должно производиться после окончания всех переходныхпроцессов в нем. Это позволит получить точность, на которую рассчитан ЦАП, а быстродействие системы будетопределяться временем переходных процессов ЦАП, т.е. его быстродействием. Поэтому важно знать динамические параметры ЦАП.Динамический диапазон (DD) - соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может восU U minпроизвести ЦАП, выражается в децибелах: DD 20 lg max, где h – шаг квантования.hМаксимальная частота дискретизации - максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая корректный результат.
В соответствии с т. Котельникова нужно, чтобы частота дискретизации была не менее чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Время преобразования - интервал времени, в течениекоторого после подачи кода на выходе устанавливается сигнал с заданным отклонением от истинного (в пределах h).Опорное напряжение (Uоп). Характеристики ЦАП в большой степени определяются источником опорного напряжения, который может быть встроен в корпус ЦАП или применяться как внешний элемент. Еслина выходе аналоговый сигнал не усиливается, то максимальный входной код соответствует Uоп.
Uоп также определяет напряжение шага, т.е. изменение выхода в ответ на 1 переход МЗР на входе.Погрешности цифро-аналогового преобразования (рис. 11)Погрешности определяются параметрами, характеризующими степень совпадения реальной СХ с идеальной.1) смещение нуля (прямая 3) - обусловлено параллельным сдвигом реальной СХ относительно идеальной.Ошибка смещения равна значению Uвых, когда входной код ЦАП равен 0. Обычно см определяется в милливольтах или в процентах от полной шкалы, она может быть скомпенсирована при калибровке схемы.2) погрешность усиления (прямая 4) – ошибка от изменения коэффициента усиления - характеризуетсяотклонением реальной СХ от крутизны идеальной; она может быть выражена в единицах МЗР или милливольтах,а также в процентах от максимальной величины.3) нелинейность преобразования - отклонение реальной СХ от идеальной (кривая 5).Интегральная нелинейность – определяется отклонениями реальной СХ от идеальной во всем диапазонепреобразования.
Она показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейнойхарактеристики (выражается в МЗР). Для ЦАП это отклонение измеряется на каждом шаге. В дешевых приборахинтегральная нелинейность достигает 1 МЗР.12Дифференциальная нелинейность - отклонение (с учетом знака)расстояния между двумя соседними уровнями Uвых от идеального значения UМЗР в части диапазона, т.е. локально; определяется в относительных единицах или в единицах МЗР. Большое значение дифференциальной нелинейности может привести к тому, что увеличение цифрового кода будет приводить к уменьшению выходного сигнала на каком-нибудь участке СХ; т.е.ЦАП станет немонотонным; если же она не превышает 1МЗР , то гарантируется, что ЦАП является монотонным, никакие данные не потеряны, т.к.
Uвых всегда изменяется в соответствии с цифровым кодом на входе.Монотонность СХ – возрастание/уменьшение Uвых при возрастании/уменьшении входного кода Dвх. Еслидифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/Uпш, то СХ немонотонна.Коды, используемые при ЦА-преобразовании.
На практике используются как одно-, так и биполярныесигналы. При этом могут применяться коды (рис. 12):1) Прямой - когда отдельный знаковый разряд управляет переключением полярности Uвых;2) Дополнительный - когда отрицательные числа представляются двоичным дополнением положительного числа (инверсия всех разрядов с последующим суммированием мл. разряда с единицей);3) Смещенный – когда нет коммутирующих элементов в схеме ЦАП, т.е.
он прост в реализации).Из рис. 12 видно: прямой код дает возможность использовать в 2 раза большее разрешение по сравнениюс дополнительным и смещенным кодами.Обычно отрицательные целые числа представляются с использованием дополнительного кода; диапазоних представления: -2n-1 Х 2n-1-1 (для n=8 получаем -27 Х 27-1), используется также так называемый смещенный код, когда при вводе чисел в ЦАП диапазон чисел (-2n-1 Х 2n-1-1) сдвигают до диапазона (0…2n-1)путем прибавления 2n-1. Числа, большие 2n-1, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 2 n-1, отрицательными.
Среднее число 2n-1 соответствует нулю.Рассмотрев методы и варианты аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования аналоговых сигналов, вернемся к изучению устройств сопряжения/связи с объектом (УСО), обеспечивающих ввод-вывод сигналов и данных в систему.132.2. Основные функции модулей УСО- нормализация аналоговых сигналов – приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала АЦП;- предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала – ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния помех различного происхождения;-гальваническое разделение аналоговых/дискретных/цифровых цепей ВВ; обеспечение защиты входных ивыходных цепей вычислительной части, в том числе от аварийного попадания на них высокого напряжения;- преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму и ввод их в ПРК;- преобразование цифровых сигналов в аналоговые сигналы и вывод их из ПРК;- дискретно-цифровое преобразование сигналов и ввод их в ПРК;- цифро-дискретное преобразование сигналов и вывод их из ПРК;- широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного сигнала; часто выполняется программно;как правило, применяется в комплекте с исполнительными механизмами постоянной скорости.Помимо перечисленных функций, ряд УСО может выполнять более сложные задачи за счет наличия в ихсоставе средств АЦ-преобразования, дискретного ВВ, МК и средств организации последовательных интерфейсов.Устройства/модули удаленного сбора данных и управления – их главная отличительная особенность: они«общаются» с управляющими узлами более высокого уровня (ПРК, ПК, рабочими станциями) по цифровой сети.Это позволяет размещать их в непосредственной близости от источника сигнала или от ОУ и в конечном итогеупрощает решение многих вопросов - сводит к минимуму длину аналоговых и силовых дискретных линий,упрощает монтаж системы, т.к.
используется унифицированный интерфейс и т.д.К модулям связи с человеком-оператором относятся: модули сигнализации отказа; модули индикации;исполнительные модули SCADA-систем и др.В настоящее время выпускаются многофункциональные платы, позволяющие решать самый широкийспектр задач цифровой обработки различных типов сигналов. Они могут обеспечивать высокую скорость передачи данных в режиме прямого доступа к памяти. Они содержат многоканальные АЦП/ЦАП, порты дискретногоВВ, таймеры/счетчики, все настройки осуществляются программно.Модули УСО, содержащие свой МК, называют интеллектуальными, т.к. они существенно расширяютвозможности УСО по предобработке входных сигналов.Далее будем использовать следующую интерпретацию типов сигналов:а) аналоговый сигнал - его информационные параметры могут принимать в определенных пределах любые значения (непрерывная шкала);б) дискретный сигнал - его информационные параметры могут принимать только некоторые (из конечнойсовокупности) значения; если не оговорено другое, только 2 уровня:высокий уровень/логическая единица, низкий уровень/логический ноль;в) цифровой сигнал - дискретный сигнал, в котором значениям параметра соответствуют определенныекодовые слова – как правило, двоичные коды.На практике рассмотренным выше процедурам преобразования аналоговых сигналов в цифровые (дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование) должна предшествовать определенная предобработка, осуществляемая как аппаратно, так и программно (рис.13).14Предварительная обработкаС/УДЧСВХФАналого-цифровое преобразованиеДискретизацияквантованиеКодирование3210h000 010011 011 001Uоп(Uоп1)(1)0(Uоп2)(2) (3)(4)Соотношение входного сигналаи динамического диапазона АЦПРис.
13. Операции предобработки при вводе аналоговых сигналов:ДЧ – датчик; С/У – смещение нуля/усиление; Ф – фильтрация; СВХ – схема выборки-храненияВ некоторых ПРК встроены модули аналогового ввода и вывода, содержащие специальные процедуры такого рода. На рис.1показаны возможные соотношения динамического диапазона АЦП (от 0 до Uоп или от Uоп1 доUоп2) и входного сигнала. В случаях (1) и (2) входной сигнал меньше динамического диапазона, поэтому АЦПбудет работать правильно, но не будет использовать все свои возможности. В случае (3) входной сигнал слишкомбольшой, поэтому часть его значений не будет преобразована. Только в случае (4)АЦП действительно будет работать как n-разрядный и преобразовывать все значения входного сигнала.2.3.
Типовые структуры каналов ввода аналоговых сигналов (рис. 14)Каналы ввода аналоговых сигналов могут содержать:- процессор для обработки сигналов в цифровом виде (фильтрация и т.д.) и выполнения общего алгоритма системы управления;- согласующее устройство – обеспечивает необходимое соотношение выходного сопротивления датчикаи входного сопротивления последующих схем, а также уровень токов и напряжений;- нормализаторы уровней сигналов – приведение входного аналогового сигнала к определенному диапазону напряжений, необходимому для работы АЦП, например, преобразование тока в напряжение, усиление аналогового сигнала, смещение начального значения диапазона входных сигналов, и т.д.;- функциональный преобразователь – может выполнять такие операции, как фильтрация, интегрированиеили дифференцирование сигналов;- элементы гальванического разделения цепей связи с ДЧ и ИМ - для обеспечения требований безопасности и подавления помех в условиях промышленной эксплуатации.15Системный интерфейс...К процессору...AI-1AI-2...AI-3РГAI-4РГАЦПЦМАЦП...АМСВХ......СВХРГАЦПСПРСНАМАЦПФП …ФП… СНСПРСНФП …ФПСПР… СНСУ … СУАМ.........Гальваническая...ДЧДЧ...ДЧФПСУСУ … СУДЧАЦПСВХ...ФП …...СН… СНСУ … СУ...развязкаДЧ...ДЧДЧ...ДЧОбъект управленияРис.
14. Типы модулей УСО аналогового ввода: ДЧ – датчик; СПР – схема предобработки;СУ – согласующее устройство; СН - схема нормализации; ФП – функциональный преобразователь;СВХ – схема выборки-хранения; АМ – аналоговый мультиплексор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;РГ – регистр; ЦМ – цифровой мультиплексорПри вводе аналоговых сигналов необходимо учитывать, что многие датчики имеют большое выходноесопротивление и малый динамический диапазон, поэтому требуется согласование параметров выхода датчика спараметрами входных цепей обработки. Например, максимальное значение сигнала с датчика равно 10 мВ, а требуемый динамический диапазон входа АЦП 10 В, могут быть заданы также и другие требования. Согласование вэтом случае может быть осуществлено с помощью операционного усилителя постоянного тока.Некоторые датчики имеют характеристики, значительно отличающиеся от линейных, поэтому необходима коррекция сигнала датчика (такое функциональное преобразование называют линеаризацией).Приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала АЦП обеспечивает более высокое качество (точность) преобразования сигналов.Например: по напряжению 0...5 В; -5...+5 В; 0...10 В и др; по току 0-5 мА, 0-20 мА; 4-20 мА и др.В некоторых ПРК согласование динамических диапазонов датчиков и АЦП осуществляется программно– с помощью встроенных алгоритмов, позволяющих корректировать диапазон входного аналогового сигнала вдвух точках, соответственно 0 и 100 % диапазона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
