Особенности использования АЦП в системах автоматического управления (САУ)

Если структура САУ создается на базе микропроцессора или PIC-контроллера (Peripheral Interface Controller – периферийный контроллер интерфейса), то приходится все управляющие аналоговые сигналы, определяющие работу и качественные показатели системы, преобразовывать в цифровую форму. Количество типов выпускаемых сегодня в мире интегральных АЦП в виде автономных микросхем, а также встроенных в структуру PIC-контроллеров огромно и учитывает запросы разработчиков САУ с точки зрения параметров точности и быстродействия. Но при этом приходится учитывать и другие проблемы при выборе конкретного типа АЦП.

1. Учет частоты дискретизации (максимальная скорость Найквиста, F_н)

Эта величина обычно приводится как справочная для любого типа АЦП (как для автономных микросхем, так и встроенных в другие устройства). Обычно разработчики САУ в большинстве случаев сравнивают F_н с частотой среза ω_ср проектируемой системы. Если объект управления инерционный (нагревательный элемент электродвигатели и др.), то проблем по этому критерию не возникает. Только необходимо помнить, что частота F_н отображается в величине частоты (кГц), а частота ω_ср в величине круговой частоты (рад/сек).

2. Учет количества каналов (К)

С целью экономии количества автономных микросхем АЦП могут иметь несколько входных аналоговых каналов, которые с помощью коммутатора подключаются к одной и той же схеме преобразователя в цифровую форму. И для корректности выбора по частоте F_н необходимо учитывать время преобразования всех каналов. Поэтому приходится сравнивать частоту ω_ср с величиной F_н/K, где K – число используемых каналов.

3. Учет электрических параметров аналогового сигнала

Максимальная величина напряжения U_вх обычно является справочной величиной. Если

U_вх.max больше этой величины, то необходимо следить чтобы U_вх.max<U_вх.

4. Учет разрядности АЦП

С целью уменьшения различного рода ошибок САУ обычно стремятся выбирать АЦП с

большой разрешающей способностью (большой разрядностью), что не всегда является оптимальным решением. Особенно это утверждение справедливо для PIC-контроллеров, которые стандартно работают с байтовой информацией (8 разрядов). Если разрядность АЦП больше, то приходится создавать более сложные алгоритмы обработки информации с двойной точностью (16 разрядов). Обычно в библиотеке любого PIC-контроллера имеются такие программы. Но это потребует увеличения времени обработки информации, дополнительной памяти для их хранения. Последнее требование может создать непреодолимую задачу для выбранного типа АЦП.

Такая же проблема нехватки памяти возникает при отказе работы с целочисленной арифметикой в пользу арифметических действий с реальными данными, которые хранятся в виде мантиссы и порядка, из-за использования соответствующих библиотечных программ.

Если в структуре САУ используется более мощный микропроцессор с возможностью работы с действительными числами, то обычно в их структуре отсутствуют встроенные АЦП и приходится использовать автономные микросхемы. Такая организация САУ рождает проблему организации интерфейса по управлению коммутатором входных аналоговых сигналов и считывание выходных цифровых данных (эти интерфейсы строятся на базе PCI-контроллеров). Стандартно мощные микропроцессоры имеют для связи с другими внешними устройствами последовательный порт. При таком подходе следует выбирать АЦП с последовательной передачей информации (выпускаются АЦП и с параллельной передачей данных), которая побитно передается в другое устройство в течение определенного промежутка времени.

5. Вид аналогового сигнала

Существуют АЦП, которые преобразуют однополярный аналоговый сигнал (обычно положительный) или биполярный. Но выходная информация представлена в прямом коде в виде только положительных чисел. В САУ обычно приходится работать с биполярными сигналами, производить арифметические операции и с отрицательными сигналами, которые в процессоре должны быть представлены со своими знаками.

Если АЦП униполярный, то необходимо входной сигнал с помощью суммирующего усилителя и сигнала смещения U_см преобразовывать в положительный. Но программным образом предусмотреть вычитание АЦП цифрового эквивалента U_см. Та же процедура необходима и при биполярном АЦП, вычитается эквивалент U_см=0.

В процессе проектирования САУ с АЦП могут возникнуть и другие проблемы.

Контрольные вопросы

1. Архитектура основных АЦП, используемых при интегральном исполнении. Их краткая характеристика (разрешение – частота дискретизации).

2. Операции дискретизации, квантования, кодирования аналогового сигнала. Теорема Котельникова и ее применение к основным операциям с аналоговым сигналом.

3. Разрядность АЦП, разрешение АЦП. Их связь.

4. Принцип функционирования параллельных АЦП. Модификация параллельных АЦП. Краткая техническая характеристика.

5. АЦП последовательного приближения. Принцип функционирования, краткая техническая характеристика.

6. Сигма-дельта АЦП. Принцип функционирования, краткая техническая характеристика.

7. Интегрирующие АЦП. Принцип функционирования, краткая техническая характеристика.

Дата добавления: 2015-03-29