Устройства связи ЭВМ с объектом управления

Датчики

Cвязь управляющей ЭВМ с объектом управления (ОУ) может строиться по синхронному, асинхронному и комбинированному принципам [1, 2]. При синхронном принципе связи процесс управления разбивается на циклы равной длительности, определяемые тактовыми импульсами таймера. В каждом цикле происходит опрос датчиков управляемых величин, преобразование их сигналов в цифровую форму, запоминание и обработка полученной информации в ЭВМ и выдача новых значений управляющих воздействий на исполнительные органы ОУ. После этого ЭВМ прерывает вычисления до начала следующего цикла. Все операции должны заканчиваться в одном цикле за интервал времени, в течение которого параметры ОУ изменяются незначительно. Асинхронный принцип связи управляющей ЭВМ с ОУ используется для прерывания обработки одних сигналов перед другими сигналами, имеющими более высокий приоритет (например, для отработки аварийных режимов). При комбинированном принципе связи используются синхронный и асинхронный принципы для разных ситуаций в ОУ.

В любых системах связь управляющих ЭВМ с ОУ осуществляется с использованием входных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и выходных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) [1, 2, 8, 19]. Интегральная технология изготовления АЦП и ЦАП обеспечивает их высокую надежность, быстродействие, малые габариты и низкую стоимость. Устройства связи в виде АЦП и ЦАП не нужны только в случаях сопряжения ЭВМ с цифровыми датчиками информации и исполнительными устройствами с цифровым управлением при одинаковом с ЭВМ кодировании сигналов.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют цифровые выходные сигналы ЭВМ в двоичном коде в аналоговые сигналы напряжения постоянного тока определенной величины и полярности, воздействующие на усилители и исполнительные органы ОУ. Принцип действия ЦАП основан на суммировании эталонных значений напряжения постоянного тока, пропорциональных весам разрядов входного двоичного кода сигналов от ЭВМ

2.1.68 Устройства связи ЭВМ с объектом управления(8.2.1)

где UЭ — эталонное напряжение; b1, b2,…, bn — коэффициенты двоичных разрядов, принимающих значения 0 или 1.

К основным параметрам ЦАП относятся:

· разрешающая способность — величина, обратная числу уровней аналогового сигнала q=1/2n, где n — число разрядов преобразуемого двоичного кода;

· точность — наибольшее отклонение аналогового сигнала от входного цифрового значения, равное цене младшего разряда ΔА0;

· нелинейность — максимальное отклонение линейно увеличивающегося выходного напряжения от прямой линии между нулевым и максимальным его значениями;

· время преобразования — время между подачей цифрового кода и достижением выходным аналоговым сигналом значения, отличающегося на величину допустимой погрешности преобразования.

В зависимости от того, преобразуется цифровой код непосредственно в аналоговую величину или вначале преобразуется в промежуточный сигнал с последующим преобразованием в выходную аналоговую величину, различают ЦАП с прямым и промежуточным преобразованием. ЦАП с прямым преобразованием делятся на параллельные и последовательные.

См. также:  Преобразование структурных схем САУ

В параллельных ЦАП все разряды двоичного кода одновременно подаются на схему суммирования. Параллельные ЦАП состоят из резистивной матрицы, набора токовых ключей, выходного операционного усилителя и источника опорного (эталонного) стабилизированного напряжения (рис. 8.2.1). Резистивная матрица выполняется по схеме с эталонными (весовыми, разрядными) резисторами или по схеме с резистивной сеткой R-2R.

В ЦАП с эталонными резисторами (рис. 8.2.1, а) входной двоичный код N поступает на триггеры Т регистра, который управляет состоянием ключей S, подключающих эталонные (весовые) резисторы Ri к источнику эталонного напряжения при bi=1 или к нулевой шине при bi=0. Величины сопротивлений эталонных резисторов подбираются по двоичному закону Ri=2i–1, при этом разряд с индексом i=n является младшим, а разряд с индексом i=1старшим. Входной ток операционного усилителя ОУ определяется суммой:

2.1.74 Устройства связи ЭВМ с объектом управления(8.2.2)

2.1.75

Устройства связи ЭВМ с объектом управления

Рис. 8.2.1 — ЦАП параллельного кода

АЦП последовательного счёта подразделяются по способу слежения за входной аналоговой величиной на циклические и накопительные. В циклических АЦП входная величина измеряется полностью в каждом цикле преобразований. В накопительных АЦП измеряется только изменение входной величины относительно его значения в предыдущем цикле преобразования.

Циклические АЦП последовательного счета выполняются с промежуточным преобразованием входной величины во временной интервал, частоту, фазу и без промежуточного преобразования. Преобразование интервалов времени в код заключается в подсчете числа импульсов генератора ГИ за интервал времени (рис 8.2.2). Импульс начала измеряемого интервала времени ИН поступает на триггер Т, который через схему совпадений И открывает поступление импульсов от генератора ГИ на двоичный счетчик СТ2. Импульс конца временного интервала ИК устанавливает триггер Т в исходное состояние. Записанный в счетчике n-разрядный код, соответствующий измеренному интервалу времени, передается в ЭВМ по сигналу импульса считывания информации ИС через набор из n элементов совпадения. Погрешность преобразования зависит от величины и стабильности частоты следования импульсов ГИ, количества разрядов счетчика, а также от случайной величины погрешности дискретности измерений Δt1 и Δt2.

Устройства связи ЭВМ с объектом управления

Рис. 8.2.2 — АЦП интервалов времени в код

Другой разновидностью АЦП последовательного счета являются АЦП с использованием ЦАП в цепи обратной связи, применяемые для преобразования аналоговых сигналов напряжения и тока в цифровой код. Один из вариантов АЦП последовательного счета с ЦАП в цепи обратной связи (рис. 8.2.3, а) содержит элемент сравнения СС (компаратор), генератор тактовых импульсов ГИ, счетчик тактовых импульсов СТ и цифроаналоговый преобразователь ЦАП. В начале каждого цикла преобразования в АЦП устройство подготовки (на схеме не показано) обнуляет выходной код счетчика СТ и компаратор СС, сравнивая преобразуемое входное аналоговое напряжение UВХ с выходным напряжением UЦАП, разрешает счетчику СТ при UВХ>UЦАП вести подсчет тактовых импульсов, поступающих от ГИ. В результате растет код на выходе СТ и на входе ЦАП и увеличивается напряжение UЦАП на выходе ЦАП и входе компаратора СС. При достижении равенства UВХ=UЦАП компаратор запрещает счетчику СТ продолжение подсчета импульсов и полученный на выходе СТ код сохраняется до следующего цикла преобразования. Начало очередных циклов преобразований может инициироваться в функции времени или в функции нарушения равенства UВХ=UЦАП на входе компаратора СС.

См. также:  Датчики температуры в САУ

АЦП данного типа следят за изменениями величины преобразуемого аналогового напряжения UВХ в выходной двоичный код N и поэтому называются следящими АЦП. Время преобразования зависит от числа разрядов счетчика и от величины преобразуемого аналогового напряжения и возрастает с их увеличением. Точность преобразования увеличивается с возрастанием числа разрядов счетчика и уменьшением величины ступеней ЦАП, а также с повышением точности компаратора при определении равенства UВХ=UЦАП.

Метод поразрядного кодирования (поразрядного взвешивания) повышает быстродействие АЦП по сравнению с методом последовательного счета. В варианте АЦП поразрядного кодирования (рис. 8.2.3, б) реализуется принцип последовательных приближений. Двоичный код входной преобразуемой аналоговой величины UВХ формируется схемой управления в n-разрядном регистре на триггерах Тn, Тn–1, Тn–2, …, Т1 в виде двоичных сигналов 1 или 0 на выходных шинах регистра, начиная со старшего разряда с весом 2n–1 до младшего разряда с весом 2°. Этот код образует на выходе ЦАП суммарное напряжение UЦАП, которое сравнивается с входной преобразуемой аналоговой величиной UВХ в компараторе СС, а результат сравнения поступает в схему управления.

Схема управления по команде Пуск переводит в начале первого такта работы триггер Tn старшего разряда из начального состояния 0 в состояние 1 и на выходе ЦАП создается напряжение UЦАП, соответствующее выходному коду старшего разряда N2n–1=2n–1. Если в течение первого такта работы сохранится условие UВХ>UЦАП, то выход компаратора СС будет иметь состояние 0 и схема управления сохранит триггер Tn в состоянии 1 и код N2n–1=2n–1 на выходе АЦП. Если при включении старшего разряда получится UВХ, то выход компаратора СС примет состояние 1 и схема управления возвратит триггер Tn в исходное состояние 0. В следующем такте система управления переводит из начального состояния 0 в состояние 1 триггер Tn–1 следующего более низкого разряда с весом 2n–2 и цикл процессов преобразования повторяется до установления двоичного сигнала 1 или 0 на всех шинах более низких разрядов выходного кода вплоть до младшего разряда с весом 2°=1. Затем циклы преобразований повторяются.

См. также:  Электромагнитные муфты

Устройства связи ЭВМ с объектом управления

Рис. 8.2.3 — Аналого-цифровые преобразователи

В результате в АЦП устанавливается равенство UВХ=UЦАП и соответствующий n-разрядный код входной аналоговой величины UВХ. Время преобразования зависит от числа разрядов и тактовой частоты и не зависит от величины преобразуемого аналогового напряжения. В 12-разрядных АЦП данного типа время преобразования составляет от 10 до 150 мкс. Погрешность АЦП определяется неточностью ЦАП, а также зоной нечувствительности и дрейфом нуля компаратора СС.

Метод считывания обеспечивает наибольшее быстродействие АЦП. В схеме АЦП считывания (рис. 8.2.3, в) преобразуемое аналоговое напряжение UВХ одновременно сравнивается с использованием n компараторов СС с эталонными n уровнями напряжений UЭj, пропорциональных числам от 2°=1 до 2n–1 n-разрядного двоичного кода. Эталонные уровни напряжений UЭj формируются в резистивном делителе и подаются на входы соответствующих компараторов вместе с преобразуемым аналоговым напряжением UВХ. При UВХ>UЭj на выходах компараторов СС устанавливается сигнал 0, а при UВХ<UЭj — сигнал 1. Результаты сравнения с выходов компараторов поступают через RS-триггеры на входы шифратора CD, который преобразует результаты сравнений в двоичный параллельный n-разрядный код с весовыми значениями разрядов 1, 2, 4, …, 2n–1. Изменения UВХ приводят к изменению выходного кода АЦП. Установка триггеров в нулевое состояние осуществляется сигналом Уст.0.

Время преобразования в АЦП считывания составляет от 10 до 100 нс. Недостаток таких АЦП состоит в необходимости использования большого числа компараторов (2n –1). Например, для построения 6-разрядного АЦП требуется 63 компаратора и столько же триггеров. Поэтому АЦП считывания обычно имеют число разрядов не более 8.

Перспективными средствами для реализации цифроаналоговых САУ являются аналоговые микропроцессоры, предназначенные для прямой обработки аналоговых (и цифровых) сигналов [8]. В структуре аналоговых микропроцессоров (АМП) имеется несколько каналов АЦП и ЦАП, а также цифровой процессор. Аналоговые МП выполняют функции аналоговых схем: генерации колебаний, модуляции, смешения частот, фильтрации, кодирования и декодирования сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные электронные схемы. В таких МП входные аналоговые сигналы передаются через АЦП на обработку в цифровом МП и через ЦАП поступают на аналоговый выход. В аналоговых МП разрядность обрабатываемых данных достигает 24 и более при высокой скорости и производительности обработки сигналов.