Устройства сопряжения

Микропроцессор (ЭВМ) обрабатывает только информацию, выраженную в цифровой форме. Исполнительные устройства в своем подавляющем большинстве работают с аналоговыми сигналами. Для использования микропроцессора в качестве контролирующего и управляющего устройства необходимы дополнительные внешние устройства – устройства сопряжения. Такими устройствами являются аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ЦАП соответственно). Простейшая схема управления с помощью микропроцессора с использованием устройств сопряжения показана на рис.103.

Рис.103. Функциональная схема управления с применением микропроцессора

Программное устройство задает команды микропроцессору в соответствии с функциональными задачами исполнительного устройства. Контроль за режимами его работы и состоянием условий работы осуществляется с помощью датчиков, которые преобразуют различные физические параметры в электрический сигнал. Микроконтроллер по программе выдает цифровой сигнал на ЦАП, который преобразует его в аналоговый сигнал. Этот сигнал усиливается и преобразуется преобразователем: в постоянный ток или напряжение, в переменное гармоническое напряжение или ток, в напряжение или ток переменной частоты и пр. Преобразованный сигнал поступает на исполнительное устройство (электрический двигатель, нагреватель и т.п.). Датчики выдают сигналы, соответствующие текущему режиму и условиям работы исполнительного устройства. Чтобы привести сигналы различных датчиков к уровню обработки, используют масштабирующее устройство. Датчиков может быть несколько штук, а канал приема информации микропроцессором один. Поэтому с датчиков сигналы поступают на мультиплексор – устройство, подключающее последовательно выход каждого датчика к АЦП. Аналогово-цифровой преобразователь переводит аналоговый сигнал в цифровую форму. Он обрабатывается МП по соответствующей программе, в результате чего АЛУ микропроцессора вырабатывает команду. Если режимы работы исполнительного устройства не соответствуют заданным, то с микропроцессора выдается сигнал корректировки. Если режимы соответствуют заданию, микропроцессор сохраняет на входе ЦАП текущий сигнал.

Цифро-аналоговый преобразователь представляет собой устройство для создания аналогового выходного значения напряжения или тока, соответствующего числовому эквиваленту двоичного цифрового кода на его входе. Зависимость выходного параметра ЦАП от кодового эквивалента входного сигнала называют характеристикой преобразования. Пример такой зависимости приведен в таблице 7.

Табл.7. Таблица соответствия выходного напряжения ЦАП цифровому коду на входе

Код
UВЫХ, мВ

Так как цифровой код может изменяться на единицу младшего разряда, то и выходной сигнал изменяется ступенчато на минимальную величину , где N - число цифровых кодов преобразования, U_ОП – опорное напряжение высокой стабильности. Оно устанавливает максимальный диапазон изменения выходного аналогового напряжения. N определяется разрядностью ЦАП - n. Десятиразрядный ЦАП имеет N = 2¹⁰ = 1024, включая 0. При U_ОП = 10.24 В DU = 10 мВ. Если разрядность ЦАП увеличить до 14, то DU уменьшится до 0.625 мВ. При этом стабильность опорного напряжения должна быть не хуже ±DU.

Функциональная схема ЦАП показана на рис.104. Основными блоками ЦАП являются резистивная матрица R-2R и операционный усилитель.

Рис.104. Функциональная схема цифро-аналогового преобразователя

Резистивная матрица R-2R представляет собой делитель напряжения с коэффициентом деления 2ⁿ, рис.3, или разветвитель тока, рис.105.

Рис.105. Делитель напряжения R-2R; R₁=R₂=…= R9=R; 2R₁₀=2R₁₁=…=2R₁₆=2R

Каждый каскад пары резисторов начиная с последовательно соединенных R₈-R₉ является делителем на 2. Резисторы R₈ и R₉ в сумме составляют величину 2R. Их общее сопротивление с параллельным резистором R₁₀ равно R. Поэтому напряжение, поступающее на R₇, на параллельно соединенных R₈-R₉-2R₁₀. Подобно этому на каждом выводе от R₁-R₈ поступающее на них напряжение делится на 2. Очевидно, что сопротивление каждого каскада одинаково и равно R, так как любое последовательно-параллельное сложение резисторов дает результат R.

Поэтому на выводе R₁ опорное напряжение делится на 2, на выводе R₂ – на 4 и т.д.

Резистивная матрица R-2R может служить разветвителем тока, рис.106. Общий ток от источника опорного напряжения равен U_ОП/R. Каждое последующее разветвление делит подходящий к узлу ток на 2.

I₁=I/2; I₂=I/4; I₃=I/8; I₄=I/16; I₅=I/32; I₆=I/64; I₇=I/128; I₈=I/256.

Очевидно, что в сумме все эти токи будут равны I.

Рис.106. Разветвитель тока на резистивной матрице R-2R

Подобный разветвитель установлен в ЦАП, рис.104. Ключи К0-К7 служат для переключения направления тока. Для приведенного примера ключи К1, К2, К5 и К6 направляют токи соответствующих ветвей в общую шину и они не поступают на вход операционного усилителя. Ключи К0, К3, К4 и К7 подключают соотвествующие ветви к инвертирующему входу операционного усилителя, который имеет потенциал 0 (неинвертирующий вход заземлен) и представляет собой виртуальное заземление. Эти токи суммируются операционным усилителем на сопротивлении обратной связи R. В результате на выходе операционного усилителя устанавливается напряжение

Разрядность ЦАП по резистивной матрице в приведенном примере равна 8. Т.е. такой ЦАП оперирует максимальным двоичным кодом 11111111. Это соответствует 256 битам, включая 0. Числу 153, стоящему в знаменателе, соответствует двоичный код 10011001. Аналогично, коду 111000 соответствует напряжение на выходе

.

В качестве ключей используются МДП-транзисторные комплементарные ключи, имеющие малое сопротивление канала в открытом состоянии.

			Рис.107. Схема 10-разрядного ЦАП на основе микросхемы К572ПА1; D0-D9 – информационные цифровые входы

Отечественной промышленностью выпускаются ЦАП интегрального исполнения К572ПА1, схема которого в сочетании с операционным усилителем показана на рис.107. При опорном напряжении 10.24 В элементарная ступень равна DU=10 мВ.

Фрагмент характеристики преобразования ЦАП показан на рис.108

Рис.108. Фрагмент характеристики преобразования ЦАП

Очевидно, что для уменьшения DU необходимо применять многоразрядные ЦАП.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство для сопоставления цифрового двоичного кода уровню аналогового сигнала на его входе. Различают АЦП последовательного и параллельного действия. Пример АЦП последовательного действия показан на рис.109.

Рис.109. Функциональная схема АЦП

Положительное входное напряжение U_ВХ поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1, выполняющего роль компаратора напряжения. Командой пуск запускается двоичный счетчик СТ2, на который подается тактирующий сигнал с частотой f_T. На выходе счетчика вырабатывается цифровой код, по которому на выходе ЦАП (D/A) формируется аналоговое напряжение. Оно сравнивается с входным напряжением на компараторе. Когда напряжение на выходе ЦАП сравняется или превысит напряжение входа, компаратор перебрасывается в противоположное состояние и на его выходе вырабатывается импульс, дающий команду о конце преобразования. При этом на выходе счетчика устанавливается код, соответствующий аналоговому входному напряжению.

На рис.110 показаны временные диаграммы преобразования.

Рис.110. Временные диаграммы работы АЦП

На данном примере показано, что по достижении на выходе ЦАП напряжения входа вырабатывается импульс конца преобразования и на выходе счетчика отображается код 0111.

Дата добавления: 2015-05-06