3. Итоговые вопросы

1. Объясните принцип работы ЦАП тока на структурах R-2R.

2. Объясните принцип действия ОУ DA2.

3. Перечислите требования к элементам ИОН.

4. Каков двоичный эквивалент (эквиваленты) серединного значения входного кода?

5. Поясните с помощью графиков, что показали результаты измерений по п. 2.2.3 задания.

6. Дайте обоснование Вашего метода вычисления R_ос (п. 2.2.4 задания).

7. Исходя из (9.2), поясните, почему исследованный ЦАП называют перемножающим.

8. На основании данных, полученных в п. 2.2.7 задания, оцените, зависит ли крутизна фронтов переходных процессов от веса входного сигнала.

Лабораторная работа № 10

СРЕДСТВА ВВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы – изучение функционирования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), определение их характеристик.

1. Теоретические сведения

Функциональное назначение АЦП

По физическому состоянию аналоговая информация, которая вводится в управляющие устройства РТК, может быть либо медленно меняющимся сигналом (напряжением или током), либо синусоидальным сигналом с изменяющейся фазой.

Применение фазовых сигналов для измерения параметров движения робота обусловлено высокой точностью измерения первичной величины (обычно положения), простотой и помехоустойчивостью канала связи. Однако обработка фазовых сигналов (обычно от электромеханических фазовращателей, известных из курса электропривода) весьма сложна и специфична.

В практике наиболее распространены сигналы, вводимые в виде напряжений. Стандартами /6, 8/ даны следующие рекомендации по их параметрам – от 0 до +10 В или от –10 до +10 В постоянного тока. При этом указано, что в схеме соответствующих модулей должна быть предусмотрена гальваническая развязка входов от других цепей СУ, а электрическая изоляция должна выдерживать напряжение не менее 500 В постоянного тока в течение 1 мин. Входное сопротивление УЧПУ должно быть не менее 2 кОм. Источниками сигналов в виде напряжений обычно являются "датчики внутренней и внешней информации" /6/. Примеры таких источников студенты в состоянии привести самостоятельно. Линию связи «датчик-преобразователь» рекомендуется выполнять в виде экранированной витой пары. В случае измерения сигнала малой амплитуды или от высокоомного источника следует в непосредственной близости от датчика устанавливать усилитель.

Основными элементами аналоговых модулей ввода являются аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. Ниже рассмотрены принципы структурного и аппаратного построения этих преобразователей, а затем даны указания по их экспериментальному ис­сле­до­ванию.

Структура ацп

В настоящее время известно множество различных методов аналого-цифрового преобразования, например, методы последовательного счета, следящего преобразования, поразрядного уравно­вешивания, двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту, параллельного преобразования. Структуры соответствующих преобразователей (АЦП) известны студентам из предшествующих курсов, /2/ и др. источников. Поэтому приведем основные сведения только об АЦП напряжение-код, работающем по алгоритму поразрядного уравновешивания, который исследуется в данной работе.

Н а рис. 10.1 дана обобщенная структур­ная схема такого АЦП напряжения, в которой обозначено: ГТИ – генератор тактовых импульсов; ИОН – источник опорного напряжения; РПП – регистр последовательного приближения; РД – регистр хранения данных; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; КН – компаратор напряжений.

РПП включает в себя сдвиговый регистр («бегущая единица»), регистр хранения промежуточного результата и логические цепи, управляющие каждым битом результата в соответствии с алгоритмом, описанным ниже. Вместе с буферным регистром данных РПП образует блок формирования кодов.

На рисунке на показаны цепи обнуления регистров перед новым циклом преобразования.

Принцип действия АЦП проиллюстрирован на диаграмме (рис. 10.2).

Начало преобразования за­дает сигнал «Запуск», который устанавливает регистр последовательного приближения в состояние 10000000. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, равное по­ловине опорного. Компаратор сравнивает измеряемое напряжение с напряжением ЦАП. Если U_ВХ > U_ОП, то в регистре последовательного приближения формируется следую­щий код сравнения, равный 11000000.Если U_ВХ < U_ОП, то старший разряд регистра последовательного приближения устанавливается в «0», следующий код сравнения равен 01000000. Таким образом, на первом такте измеряемое напряжение сравнивает­ся с эталонным значением U /2. Далее разряды включения весов ЦАПН устанавливаются последовательно, начиная со старшего, т.е. аналогичные действия выполняются в каждом из так­тов преобразования, причем значение напряжения сравнения зависит от результатов сравнения в предыдущих тактах. В примере рис. 10.2 на втором такте напряжение срав­нения U_ЦАП равно U/2 + U/4, на третьем такте – U/2 + U/4 + U/8, а на четвертом – U/2 + U/4 + U/16, поскольку на третьем такте было установлено, что U_ВХ < U/2 + U/4 + U/8 и т.д. Сложившийся в результате код соответствует измеренному напряжению. Сигнал на выходе компаратора напряжений на рис. 10.2 не показан, его вид учащимся предстоит изучить самостоятельно в ходе экспериментов.

Рис. 10.2

Точность аналого-цифрового преобразования определяется разрешающей способностью блока ЦАП (8-12 разрядов).

Интервал преобразования состоит из n так­тов: один такт для получения каждого двоичного разряда слова результата. Длительность такта преобразования задает генератор тактовых импульсов. Время преобразования составляет n+1 такт, последний цикл используется для формирования сигнала готовности («Конец преобр.»).

Состав и функционирование ЦАП может быть различным, в том числе аналогичным рассмотренному в работе № 9.

При использовании АЦП в составе системы управления он управляется по разрешению генератора импульсов ГТИ (рис. 10.3) адресом А1 (в цикле WR), информация результатов преобразования считывается из блока формирования кодов по адресу А2 через шину данных D. Возможно и использование единого адреса А: при записи – для пуска ГТИ, при чтении – для вывода данных.

В данной структурной схеме показано также, что в двухполярных преобразователях каждый цикл преобразования начинается с определения полярности измеряемого напряжения, при котором все разряды ЦАПН установлены в ноль и по выходному сигналу компаратора устройство управления включает на выходе источника опорного напряжения положительное или отрицательное напряжение для ЦАПН.