Аналого-цифровые преобразователи

Для получения информации о значении технологического па­раметра в виде числа, выводимого оператору, сохраняемого в па­мяти ЭВМ или используемого для расчета и формирования уп­равляющего воздействия на исполнительный механизм, сигнал с аналогового датчика должен быть преобразован в числовую фор­му. Это делается с помощью аналого-цифрового преобразователя.

Аналого-цифровой преобразователь — это устройство, преобра­зующее аналоговый сигнал в цифровой код.

Существует несколько методов аналого-цифрового преобразо­вания, рассмотрим два из них.

АЦП с промежуточным преобразованием в интервал времени (рис. 5.21) формирует импульс напряжения, постоянный по уровню, но имеющий длительность, пропорциональную входному сигна­лу. Принцип работы такого преобразователя заключается в том, что измеряемое напряжение сравнивается с линейно возрастаю­щим напряжением t/_1HH, вырабатываемым специальным генера­тором по команде «Старт». Чем больше измеряемое напряжение U_m, тем дольше будет нарастать напряжение генератора, пока не сравняется с измеряемым. Момент равенства напряжений опреде­ляется компаратором, формирующим команду «Стоп».

Интервал времени от команды «Старт» до команды «Стоп» измеряется пугем подсчета количества импульсов N, поступаю­щих за это время на вход счетчика импульсов. Результат подсчета, т.е. код на выходе счетчика, пропорционален интервалу времени, а следовательно, и измеряемому напряжению.

Погрешность этого преобразователя зависит от стабильности и точности генератора линейно возрастающего напряжения, а так­же от частоты импульсов, заполняющих интервал времени, и ста­бильности генератора этих импульсов. Кроме того, точность зави­сит от чувствительности компаратора.

Достоинство такого АЦП — его простота, недостаток — низ­кая помехозащищенность, в том числе из-за того, что результат зависит от одномоментной ситуации — реального значения вход­ного напряжения в момент фиксации компаратором его равен­ства линейно возрастающему напряжению.

Этого недостатка лишены следящие АЦП, цифровой код на выходе которых в любой момент соответствует реальному значе­нию входного сигнала в этот момент.

Блок-схема следящего АЦП приведена на рис. 5.22, а. Преобра­зование входного напряжения в двоичный код производится с

 

128

помощью цифроаналогового преобразователя, управляемого ре­версивным счетчиком. Реверсивный счетчик, как уже указывалось ранее, работает как на сложение, так и на вычитание, поэтому при поступлении импульсов на его вход код на выходе счетчика может как увеличиваться, так и уменьшаться — это зависит от режима, в который установлен счетчик командой «Режим».

Напряжение U₀ с выхода цифроаналогового преобразователя подается на компаратор, ко второму входу которого подведено входное напряжение U_BX. В начальный момент все триггеры счет­чика установлены в состояние 0 и код на выходе, например, 4-разрядного счетчика — 0000. Этому коду соответствует нулевое значение напряжения U₀.

С каждым поступающим импульсом код счетчика и выходное напряжение ЦАП увеличиваются, пока U_Q не превысит U_m (рис. 5.22, б). В этот момент срабатывает компаратор и переключает реверсивный счетчик, устанавливая его в режим вычитания. С оче­редным импульсом код счетчика уменьшается на 1; при этом умень-

129

 

шается на одну ступеньку и напряжение U₀ на выходе ЦАП, кото­рое вновь оказывается меньше входного напряжения. Компаратор вновь возвращает счетчик в режим сложения, и следующий им­пульс увеличивает код счетчика и напряжение U₀. Компаратор снова переключает счетчик в режим вычитания и т.д. В результате на-

130

пряжение U₀ колеблется около значения входного напряжения, как бы следя за ним (поэтому такое название — «следящий АЦП»).

Так как напряжение U₀ на выходе ЦАП определяется кодом счетчика и в любой момент оно практически равно входному на­пряжению f/_BX, то код счетчика является выходным сигналом ана­лого-цифрового преобразователя.

Погрешность следящего АЦП определяется точностью ЦАП, чувствительностью компаратора и частотой импульсов, посту­пающих на вход счетчика: чем выше частота импульсов, тем точнее может быть выполнено преобразование, в том числе бы-строизменяющихся напряжений. Такие аналого-цифровые пре­образователи выпускаются в виде микросхем; время преобразо­вания составляет несколько микросекунд; погрешность — ме­нее 1 %.

Контрольные вопросы

1.            Что включают в себя переходные устройства?

2.           Какие кабели лучше использовать для защиты сигналов от электри­ческих полей?

3.             Какие кабели лучше использовать для защиты сигналов от магнит­ных полей?

4.                Как правильно проложить кабели управления на лотках и в коро­бах?

5.            Какова роль устройств нормализации сигналов?

6.          Для чего используют фильтры?

7.           Какова функция аттенюаторов?

8.             В каких случаях применяют мостовую измерительную цепь?

9.          Что такое усилитель?

10.                    Назовите основные параметры и характеристики электронного усилителя.

11.                   Какие усилители напряжения применяются преимущественно в АСУ ТП и почему?

12.             Как можно регулировать коэффициент усиления в операционном усилителе?

13.         Что такое компаратор?

14.            Как работает магнитный усилитель?

15.           Что такое цифровые устройства и каково их назначение?

16.           Что такое триггер? Какую роль он выполняет в цифровых устрой­ствах?

17.          Что такое регистр?

18.           Дайте определение счетчика импульсов. Что составляет его осно­ву?

19.             Сколько триггеров необходимо использовать в счетчике для под­счета 256 импульсов?

20.            Как происходит подсчет импульсов?

21.           Что такое мультиплексор и демультиплексор?

131

22.          Дайте определение цифроаналогового преобразователя.

23.              Что положено в основу работы цифроаналогового преобразовате­ля?

24.             Что такое квантование сигнала?

25.         Дайте определение аналого-цифрового преобразователя.

26.             Назовите две основные схемы построения аналого-цифровых пре­образователей.

27.            Какие основные элементы входят в состав АЦП с промежуточным преобразованием в интервал времени?

28.              Какие основные элементы входят в состав следящего АЦП?

ГЛАВА 6 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Любое действие любого алгоритма, которое мы в состоянии выполнить, мы совершаем универсальным инструментом, дан­ным нам природой, — руками. Причем, как правило, не голыми руками, а с помощью отвертки, карандаша, молотка, т.е. какого-либо рабочего инструмента, который воздействует на предмет на­шего труда. Движениями наших рук управляет мозг, получивший нужную информацию от датчиков — глаз. Руки исполняют коман­ды, выработанные мозгом, и приводят в нужное движение инст­рументы. Можно сказать, что наши руки — исполнительные ме­ханизмы, приводящие в действие рабочие органы (инструменты), непосредственно воздействующие на предмет труда.

Рассмотрим технические системы. Итак, датчики выдали ин­формацию о технологических параметрах, ЭВМ проанализирова­ла ее и выработала управляющие сигналы. Эти сигналы передают­ся на исполнительные механизмы. Они являются последним эле­ментом в цепи управления или регулирования и приводят в дей­ствие рабочие (регулирующие) органы в соответствии с управля­ющими сигналами.

В АСУ ТП существует понятие привод — это комплекс элемен­тов (часто объединенных конструктивно), обеспечивающих весь процесс управления — от приема управляющего сигнала до воз­действия на рабочий орган. Привод может включать в себя усили­тельные, коммутирующие, преобразовательные, защитные, ис­полнительные и другие устройства. Но поскольку мы изучаем не конкретные приводы в полном объеме, а их составные элементы и принципы работы, то рассмотрим именно исполнительные ме­ханизмы, отражающие основные функции этих устройств.