Устройства для связи микроЭВМ с объектами управления

МикроЭВМ управляют станками и игровыми автоматами, ходом научных экспериментов и доильными аппаратами, автомобилями и роботами. В этих (а также других) устройствах, приборах и системах используется много серийных электрических датчиков и исполнительных органов (например, электродвигателей), работающих с непрерывными (аналоговыми) электрическими сигналами. Для связи таких датчиков и исполнительных органов с микроЭВМ требуется преобразовать аналоговый сигнал в число, пропорциональное амплитуде этого сигнала, и наоборот.

Рис. 1.3. Дискретизация и квантование непрерывного сигнала Х (I)

Процедура аналогоцифрового преобразования состоит из двух этапов: дискретизации по времени (выборки) и квантования по уровню. Процесс дискретизации состоит из измерения значений непрерывного сигнала Х(t) только в дискретные моменты времени 0, Т, 2Т,..., отстоящие друг от друга на величину периода дискретизации Т (рис. 1.3).

Такой измерительный процесс, если он реализуется без необходимых мер предосторожности, может привести к возникновению значительных погрешностей. Важно иметь достаточное число отсчетов за единицу времени для правильного представления существенной информации, содержащейся в высокочастотной составляющей этого сигнала. В то же время частые измерения требуют увеличения быстродействия преобразования и обработки, а следовательно, сложности и стоимости преобразователя. Поэтому темп дискретизации необходимо поддерживать на минимально допустимом уровне, при котором составляющая общей погрешности, обусловленная процессом дискретизации, не превышает установленных пределов.

Для квантования диапазон изменения входного сигнала подразделяется на равные интервалы (уровни квантования):...,-5DХ/2, -ЗDХ/2, - DХ/2, - DХ/2, 3DХ/2, 5DХ/2, ..., гдеDХ—интервал (шаг квантования). Операция квантования сводится к определению того интервала, в который попало дискретизированное значение Х(t ), и к присваиванию выходному значению Х*(t ) цифрового кода, соответствующего значению центра найденного интервала. При такой замене может быть допущена ошибка, равная DХ/2. Для ускорения процесса преобразования, упрощения и удешевления преобразователя надо выбирать максимально допустимый шаг квантования, при котором еще не появляются большие погрешности.

При проектировании систем, в которых должны использоваться аналогоцифровые или цифроаналоговые преобразователи, следует иметь хотя бы минимальное представление о принципах работы этих преобразователей.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) служит для преобразования числа в пропорциональную аналоговую величину, представленную в виде электрического напряжения, тока и т. п. Цифровая информация вводится чаще всего в виде параллельного кода преобразуемого числа, а аналоговая информация представлена в виде одного сигнала, величина которого явля­ется носителем информации.

Существует множество способов построения ЦАП, но наиболее часто применяют схемы, построенные на операционном усилителе и резисторах (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Цифроаналоговый преобразователь с весовыми резисторами

Усилитель, работающий в режиме сумматора, имеет п входных резисторов, где n — число двоичных разрядов, используемых для представления преобразуемого числа X*. Сопротивления этих резисторов — R/2⁰, R/2¹,..., R/2^n-1

Один зажим каждого из резисторов подсоединен к электронному ключу, состояние которого определяется значением соответствующего разряда преобразуемого числа, находящегося в регистре Рг. Если двоичный разряд — единица, то резистор соединяется с источником опорного напряжения Е; в противном случае ключ разомкнут. Так как величина выходного сигнала такой схемы равна отрицательной сумме входных напряжений с весовыми коэффициентами, равными отношению сопротивления обратной связи усилителя к соответствующему входному сопротивлению, то при Х*=0... 001 сигнал Х=-Е, при Х*=0... 010 сигнал Х=-2Е, при X* = 0... 011 сигнал Х=-3Е и т. д.

Для получения сигнала со знаком преобразуемое число представляют в дополнительном коде и его старший разряд (знаковый разряд) используют для управления ключом, который может добавить к Х напряжение +2^n-1 Е. Так, если Х * = 11... 111 (-1 в дополнительном коде), то Х= -E(2^n-2+2^n-3+ ... +2+1) и после суммирования этого сигнала с +2^n-1E выходное напряжение ЦАП будет равно +E, т. е., пропорционально -1.

Существует модификация рассмотренного ЦАП, в которой для уменьшения количества номиналов резисторов используют цепную схему, составленную из вдвое большего числа резисторов всего лишь двух номиналов — К и 2К. Есть также и ЦАП, основанные на других принципах преобразования цифрового кода в напряжение или ток.

Нетрудно заметить, что для повышения точности представления числа недостаточно простого увеличения разрядности ЦАП. Необходимо также повышать точность изготовления резисторов, стабильность опорного напряжения Е, линейность операционного усилителя и ряд других параметров схемы. Поэтому выбор того или иного серийного ЦАП только по одному параметру — разрядности является грубейшей ошибкой.

Аналогоцифровой преобразователь служит для преобразования аналогового сигнала (например, электрического напряжения) в код числа. Существует много способов построения АЦП, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. В серийных полупроводниковых интегральных АЦП наибольшее распространение получили два из них; последовательное приближение и параллельное преобразование.

В АЦП, построенных по методу последовательного приближения, используются регистр последовательного приближения, ЦАП, сравнивающее устройство (компаратор), тактовый генератор и схема управления. Перед измерением все разряды регистра устанавливаются в 0. При получении приказа на преобразование каждый из разрядов регистра, начиная со старшего, поочередно устанавливаются в 1.

Если выходной сигнал ЦАП, связанного с этим регистром, не превышает уровня входного аналогового сигнала, разряд остается в состоянии 1; в противном случае разряд сбрасывается обратно в 0. Для n-разрядного АЦП необходимо совершить n таких шагов. Подобный процесс может быть представлен как двоичный поиск, начинающийся с середины. В модуле АЦП последовательного приближения имеются вход «Начало преобразования» и выход «Преобразование выполнено». Все такие преобразователи имеют параллельный цифровой выход (все разряды выводятся одновременно по n-разрядной шине) и, как правило, еще и последовательный выход (n разрядов выходного кода выдаются последовательно, начиная со старших разрядов, по одной линии).

АЦП последовательного приближения обладают относительно высокой точностью и достаточно высоким быстродействием: для n-разрядного преобразования требуется выполнить только n обращений к ЦАП, который может выполнить одно преобразование за время от десятых долей до нескольких микросекунд (в зависимости от типа и разрядности). Для того чтобы изменение аналогового сигнала во время от начала преобразования до его окончания не влияло на точность преобразования, обычно используют специальные схемы, запоминающие аналоговый сигнал. Устройства выборки-хранения обеспечивают выборку мгновенного значения аналогового сигнала и хранение его с заданной точностью во время преобразования в АЦП. Существуют АЦП и со встроенными схемами выборки-хранения.

Значительно большим быстродействием отличаются АЦП параллельного кодирования. В них для преобразования аналогового сигнала в n-разрядный двоичный код используется 2^n-1 компараторов (сравнивающих устройств). На один из двух дифференциальных входов каждого компаратора подается свое опорное напряжение, формируемое резисторным делителем. Разность между опорными напряжениями двух ближайших компараторов равна Е/2, где Е — опорное напряжение, соответствующее максимальному значению преобразуемого аналогового сигнала. Другие входы компарато­ров объединены, и на них подается входной сигнал. Приоритетный шифратор формирует выходной цифровой сигнал, соответствующий самому старшему сработавшему компаратору.

Способ параллельного кодирования (иногда он называется способом мгновенного кодирования) отличается наибольшим быстродействием. Время задержки при передаче сигнала от входа к выходу равно сумме запаздываний компараторов и шифратора и составляет несколько десятков наносекунд.

Дата добавления: 2014-01-06