13.3. Вывод аналоговой информации в виде напряжений

Для вывода аналоговой информации в виде напряжений стандартами предусмотрены следующие рекомендации: выходное напряжение должно находиться в пределах от минус 10 В до плюс 10 В постоянного тока; сопротивление цепей, подключенных к соответствующему выходу УЧПУ (нагрузки), должно быть не менее 2 кОм /22/, выходное сопротивление УВВ не более 100 Ом /21/. При этом стандарты не требуют наличия в схеме соответствующих модулей гальванической изоляции выходных цепей от других цепей СУ.

Нагрузкой для модулей вывода напряжений являются электроприводы (сигнал служит для задания их скорости). Для пропорционального управления клапанами гидроприводов, а в отдельных случаях и пневмоприводов, используются токовые выходные сигналы. Согласно /22/, параметры этих сигналов должны соответствовать указанным в табл. 9.

Таблица 9

Максимальное значение тока, А	Сопротивление нагрузки, Ом, не более
0,004	1000
0,008	200
0,02	80
0,1	22

Основными элементами аналоговых модулей ввода-вывода являются цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.

Напомню, что преобразователем мы договорились называть устройство, выходные сигналы которого СООТВЕТ­СТ­ВУЮТ входным по некоторому ПРАВИЛУ (в такой интерпретации усилитель – это преобразователь текущего значения сигнала по правилу …). Правилом для АЦП и ЦАП является пропорциональность значения кода и параметра аналогового сигнала (например, величины тока), хотя существуют и специальные преобразователи с другими правилами/таблицами соответствия.

В электронике цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, англ. Digital-to-analog converter, DAC) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного позиционного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Функциональные обозначения ЦАП на УГО – #/Λ, D/A, DAC.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) производит обратную операцию. Функциональные обозначения АЦП на УГО – Λ/#, A/D, ADC.

Сначала рассмотрим принципы аппаратного построения этих преобразователей, а затем – организацию соответствующих уз­лов в устройствах ввода-выво­да.

13.4. Цифро-аналоговые преобразователи напряжения

Приведем основные сведения о функциональных преобразователях устройств вывода аналоговых сигналов напряжения или тока – цифро-ана­ло­говых преобразователях.

Наиболее общим образом типы электронных ЦАП перечислены в /24/:

• широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, нагревателей и т.п., которые сами по себе являются НЧ-фильтрами;

• ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основанные на изменении плотности импульсов (см. ниже). Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность – до 24 бит (эффективная – 20 бит);

• сегментный ЦАП, который содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду, недостатки очевидны;

• взвешивающий ЦАП, в котором каждому разряду преобра­зуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода, взятые со своим весом, суммируются. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит (подробнее см. ниже);

• цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами (подробнее см. ниже). Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;

• гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

Н а рис. 73 приведена обобщенная структур­ная схема ЦАП напряжения (ЦАПН), в которой обозначено:

ИОН – схема задания опорного стабильного напря­жения; (погрешность – единицы мВ);

ЦАПТ – цифро-анало­го­вый преобразователь тока, который включает в себя токозадающие резисторы, соединенные по определенной схеме (варианты перечислены выше), и коммутирующие элементы, которые управляются от регистра Рг. Информация в регистр заносится из УУ либо параллельным кодом D по выбранному адресу А, либо через последовательный интерфейс.

Выходной элемент ЦАПН – операционный усилитель с необходимым диапазоном выходного напряжения и коэффициентом усиления по току. ОУ здесь использован в масштабном включении. Коэффициент его усиления следует выбирать максимально возможным (около 10⁶), входной ток должен составлять единицы наноампер. Обычно U_пит =±15 В, U_вых =±12 В. Допустимый ток нагрузки – десятки миллиампер.

Анализ схемы базируется на двух свойствах ОУ, охваченного ООС:

• входные токи ОУ пренебрежимо малы;

• разность потенциалов на входах поддерживается усилителем через цепь ОС близкой к нулю.

Отсюда при известных характеристиках ЦАПТ диапазон преобразования по напряжению задается величиной R_OC:

где I_i – значение тока в i-ом разряде ЦАПТ; n – количество разрядов (токи в разрядах, где бит кода – нуль, равны нулю).

После ОУ может потребоваться усилитель напряжения и усилитель тока. Сопротивление R_б устанавливается для компенсации погрешностей из-за разницы входных токов ОУ. Его величина выбирается равной эквивалентному сопротивлению младшего разряда ЦАПТ.

Базовый вариант схемы источника опорного напряжения приведен на рис. 74. Значение его выходного сигнала вычисляется по формуле

.

Источники опорного напряжения выполняются на высококачественных операционных усилителях (коэффициент усиления порядка 10⁶, входные токи – единицы пикоампер, малая температурная зависимость напряжения смещения и входных т оков). Элементом задания стабильного напряжения служит стабилитрон VD1, который следует выбирать термокомпенсированным, т.е. с на­пряжением стабилизации, мало зависящим от темпер

Рис. 74

Рис. 3.17

атуры. С помощью токозадающего резистора R_C задается номинальный ток стабилизации. Существуют ИОН, выполненные в виде готовых интегральных схем (ИМС фирм Analog Device, MAXIM).

В качестве регистров ЦАП используются либо параллельные регистры общего назначения, известные из курса вычислительной техники, либо узлы, встроенные в микросхему ЦАП.

Данные в ЦАП обычно поступают в параллельном коде. Преимущества здесь – быстрая передача данных и простой протокол связи. Но распределенное исполнение систем управления РТК требует уменьшения числа линий связи и достигается это за счет передачи последовательного кода данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI) и микросхемы, с ним связанные, сегодня занимают уже большую долю рынка ЦАП, многие из них работают также с двухпроводным I²С-совместимым интерфейсом. Часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется при последовательном интерфейсе с помощью оптронных приборов.

Ниже рассмотрены основные варианты организации схем ЦАП. Подробнее свойства этих схем и их метрологические характеристики изложены в /25/.