Квантування за часом і квантування по рівню

Переважна більшість технологічних параметрів явля-ются аналоговими, тобто що безперервно змінюються в часі. Залучення цифрового пристрою — ЕОМ — до контролю і уп-равлению технологічними процесами вимагає вирішення двох питань: в які моменти часу вимірювати аналогові пара-метры і як перетворювати в конкретне число значення пари-метра, яке може бути абсолютно довільним (звичайно, в заданих межах). Відповіді на ці питання пов'язані з двома процесами: квантуванням за часом і квантуванням по ущерб ню — заміною аналогового (безперервного) сигналу дискретні мі (фіксованими, а значить, наступними один за одним розривом) значеннями.

У гл. 3 вже розглядалися поняття «Дискретна величин;! і»дискретний сигнал«. Процес перетворення аналогового сигналу в дискретний називається квантуванням сигналу.

Квантування за часом полягає в тому, що з аналогом«>і> (безперервного) сигналу вибираються окремі його значенні що відповідають моментам, коли вимірювальна апаратура вы-полняет черговий вимір, тобто перетворення цього сигналу в цифровий код. Моменти перетворення сигналу позначені на мал. 5.20, а як (ь 1г і так далі. Кухлями (см мал. 5.20, а) показані значення сигналу в ці моменти, які являються произволь-ными. Чим рідше слідуватимуть моменти перетворення сигна-ла, тим сильніше він може змінитися за проміжок часу між двома перетвореннями, отже, знижується точність його перетворення. Тому чим швидше може змінюватися вхідний сигнал, тим частіше повинні виконуватися його перетворення, тобто більше має бути частота квантування.

Квантування по рівню полягає в створенні шкали рівнів квантування, що заповнює увесь діапазон можливих значень безперервного сигналу (мал. 5.20, б). Рівні квантування відстоять один від одного на крок квантування, який визначається точнос-тью виміри сигналу використовуваною апаратурою. При квантова-нии точні значення сигналу замінюються на найближчі до них значення шкали квантування, тобто округляються. Це добре видно на мал. 5.20, би, де для порівняння штриховою лінією показаний вход-ной сигнал. Отже, для підвищення точності преобразо-вания слід зменшувати крок квантування, підвищуючи точність из-мерительной апаратури.

У автоматичних системах контролю і виміру використовують обидва види квантування одночасно. Квантування сигналів за часом дозволяє замінити безперервний процес відстежування значення сигналу імпульсним, що вивільняє апаратуру в проміжках між двома перетвореннями сигналу і дозволяє в ці проміжки робити виміри інших сигналів. Каж-дый з сигналів впродовж проміжку між двома преобразова-ниями вважається таким, що не змінюється. В результаті автоматична система «бачить» безперервний сигнал, показаний штриховий

Лінією на мал. 5.20, би, таким, як він представлений напівжирною лінією на цьому малюнку.

5.5.3 Аналого-цифрові перетворювачі

Для отримання інформації про значення технологічного па-раметра у вигляді числа, що виводиться операторові, зберігається в па-мяти ЕОМ або використовуваного для розрахунку і формування уп-равляющего дії на старанний механізм, сигнал з аналогового датчика має бути перетворений в числову фор-му. Це робиться за допомогою аналого-цифрового перетворювача.

Аналого-цифровий перетворювач — цей пристрій, преобра-зующее аналоговий сигнал в цифровий код.

Існує декілька методів аналого-цифрового преобразо-вания, розглянемо два з них.

АЦП з проміжним перетворенням в інтервал часу (мал. 5.21) формує імпульс напруги, постійний по рівню, але що має тривалість, пропорційну вхідному сигна-лу. Принцип роботи такого перетворювача полягає в тому, що вимірювана напруга порівнюється з лінійно возрастаю-щим напругою спеціальним генера-тором, що виробляється, по команді «Старт». Чим більше вимірювана напруга Цвх, тим довше наростатиме напруга генератора, поки не порівняється з вимірюваним. Момент рівності напруги опреде-ляется компаратором, що формує команду «Стоп».

Інтервал часу від команди «Старт» до команди «Стоп» вимірюється шляхом підрахунку кількості імпульсів І, поступаю-щих за цей час на вхід лічильника імпульсів. Результат підрахунку тобто код на виході лічильника, пропорційний інтервалу часу а отже, і вимірюваній напрузі.

Похибка цього перетворювача залежить від стабільності і точності генератора лінійно зростаючої напруги, а та«ж від частоти імпульсів, що заповнюють інтервал часу, і стабільності генератора цих імпульсів. Крім того, точність зави сит від чутливості компаратора.

Перевага такого АЦП — його простота, недолік — ниа кая завадозахищеність, у тому числі через те, що результш залежить від одномоментної ситуації — реального значення вхід ного напруги у момент фіксації компаратором його рівний ства лінійно зростаючій напрузі.

Цього недоліку позбавлені стежачі АЦП, цифровий код на виході яких у будь-який момент відповідає реальному значенню вхідного сигналу у цей момент.

Блок-схема стежачого АЦП приведена на мал. 5.22, а. Перетворення вхідної напруги в двійковий код робиться з допомогою цифроаналогового перетворювача, керованого ре-версивным лічильником. Реверсивний лічильник, як вже вказувалося раніше, працює як на складання, так і на віднімання, тому при вступі імпульсів на його вхід код на виході лічильника може як збільшуватися, так і зменшуватися — це залежить від режиму, в який встановлений лічильник командою «Режим».

Напруга U₀ з виходу цифроаналогового перетворювача подається на компаратор, до другого входу якого підведена вхідна напруга В початковий момент усі тригери счет-чика встановлені в стан 0 і код на виході, наприклад, 4-розрядний лічильника — 0000. Цьому коду відповідає нульове вмчение напруга U0.

З кожним імпульсом, що поступає, код лічильника і вихідна напруга ЦАП збільшуються, поки U₀ не перевищить Uвx (мал. 5.22, б). У цей момент спрацьовує компаратор і перемикає реверсивний лічильник, встановлюючи його в режим віднімання. З черговим імпульсом код лічильника зменшується на 1; при цьому зменьшується на одну сходинку і напругу U₀ на виході ЦЛ11, яка знову виявляється менше вхідної напруги. Компаритор знову повертає лічильник в режим складання, і сліду до них пульс збільшує код лічильника і напругу U₀₀. Компаратор перемикає лічильник в режим віднімання і так далі. У результат напруги U₀ коливається біля значення вхідної напруги, як би стежачи за ним (тому така назва — «стежачий АЦП»).

Оскільки напруга U0 на виході ЦАП визначається кодом лічильника і у будь-який момент воно практично дорівнює вхідній напрузі U, то код лічильника є вихідним сигналом цифрового для ана-лого перетворювача.

Погрішність слідкуючого АЦП визначається точністю ЦАП, чутливістю компаратора і частотою імпульсів, які поступають на вхід лічильника: чим вище частота імпульсів, тим точніше може бути виконане перетворення, у тому числі швидкозмінної напруги. Такі аналого-цифрові пре-образователи випускаються у вигляді мікросхем; час преобразо-вания складає декілька мікросекунд; погрішність — ме-нее 1 %.

Контрольні питання

1 Що включають перехідні пристрої?

2 Які кабелі краще використовувати для захисту сигналів від электри-ческих полів?

3 Які кабелі краще використовувати для захисту сигналів від магнит-ных полів?

4 Як правильно прокласти кабелі управління на лотках і в коро-бах?

5 Яка роль пристроїв нормалізації сигналів?

6 Для чого використовують фільтри?

7 Яка функція аттенюаторів?

8 У яких випадках застосовують мостовий вимірювальний ланцюг?

9 Що таке підсилювач?

10 Назвіть основні параметри і характеристики електронного підсилювача.

11 Які підсилювачі напруги застосовуються переважно в АСК ТП і чому?

12 Як можна регулювати коефіцієнт посилення в операційному підсилювачі?

13 Що таке компаратор?

14 Як працює магнітний підсилювач?

15 Що таке цифрові пристрої і яке їх призначення?

16 Що таке тригер? Яку роль він виконує в цифрових пристроях?

17 Що таке регістр?

18 Дайте визначення лічильника імпульсів. Що складає його основу?

19 Скільки тригерів необхідно використовувати в лічильнику для підрахунку 256 імпульсів?

20 Як відбувається підрахунок імпульсів?

21Що таке мультіплексор і демультіплексор?

22 Дайте визначення цифроаналогового перетворювача.

23 Що покладене в основу роботи цифроаналогового перетворювача?

24 Що таке квантування сигналу?

25 Дайте визначення аналого-цифрового перетворювача.

26 Назвіть дві основні схеми побудови аналого-цифрових перетворювачів.

27 Які основні елементи входять до складу АЦП з проміжним перетворенням в інтервал часу?

28 Які основні елементи входять до складу стежачого АЦП?

ГЛАВА 6

Дата добавления: 2014-11-26