Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

ЦАП передискретизации. Такие как дельта-сигма ЦАП основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. 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 – 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту 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 суммируются с весом. 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;

цепная R-2R схема, являющаяся вариацией взвешивающего ЦАП. Взвешенные значения создаются в специальной схеме, со-

141

стоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;

сегментный ЦАП, содержащий 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, так как для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду;

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

9.2. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП – это устройства, которые принимают аналоговые сигналы (от датчиков и первичных преобразователей) и генерируют соответствующие им цифровые сигналы для обработки в контроллере.

Вполне реально осуществить преобразование различных физических величин непосредственно в цифровую форму. Однако процесс этот весьма сложен и иногда непригоден. Поэтому наиболее рациональным является сначала преобразование внешнего сигнала в функционально связанные с ним электрические

142

сигналы, а затем с помощью преобразователя «напряжение-код» – в цифровые. Именно последние и понимаются как АЦП.

Сама суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. Если говорить простым языком, то пусть, к примеру, есть какой-то сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот самый сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация – это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов. Подругому можно сказать, что дискретизация – это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность.

На рис. 9.4 показана наиболее распространенная равномерная

ния их, т. е. сигналов, в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов (обозначим их как ai), иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций (обозначим их как fi(t)), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

143

144

145

на выходах компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении на выходах компараторов будут логические «1». Шифратор предназначен для преобразования полученной группы нулей и единиц в «нормальный» двоичный код.

Параллельный АЦП является самым быстродействующим из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но есть весьма существенный недостаток. Как было сказано выше, разрядность такого АЦП определяется числом компараторов. При малой разрядности это еще не так критично, а когда разрядов 10…12, то для 10-разрядного АЦП понадобится 210 – 1 = 1023 штук. Отсюда вытекает высокая стоимость параллельных АЦП.

Последовательные АЦП. Выделяют АЦП последовательного счета и последовательного приближения.

Типичная схема АЦП последовательного счета приведена на рис. 9.8.

Выход

Рис. 9.8. АЦП последовательного счета

На схеме буквами и символами обозначены следующие элементы: К – компаратор, & – схема «И», ГТИ – генератор тактовых импульсов, СТ – счетчик, #/A – ЦАП. На один вход компаратора подается входное напряжение, на второй – напряжение с выхода

146

последовательных приближений. При подаче импульса «Пуск» на выходе старшего разряда регистра появляется логическая «1», а на выходе ЦАП – напряжение U1. Если это напряжение меньше входного, то в следующем по счету разряде регистра записывается еще логическая «1».

Если же входное напряжение меньше, то логическая 1 в старшем разряде отменяется. Таким образом, методом проб перебираются все разряды – от старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов. То есть АЦП последовательных приближений намного шустрее АЦП последовательного счета.

Последовательно-параллельные АЦП. Данный вид АЦП – это компромисс между параллельными и последовательными АЦП. Их создание продиктовано желанием получить максимально возможное быстродействие при минимальных затратах и сложности.

В многоступенчатых преобразователях процесс преобразования разделен в пространстве.

ной регистр и одновременно на вход быстродействующего ЦАП.

Сумматор в данном случае реализует функцию вычитателя. Цифровой код преобразуется ЦАП в напряжение, которое вычитается из входного в сумматоре. Разность напряжений преобразуется с

148

помощью АЦП2 в коды младших разрядов. Регистр для упрощения можно выкинуть. Цифроаналоговое преобразование чаще всего выполняется по схеме суммирования токов с помощью дифференциальных переключателей, но оно может быть основано на схеме суммирования напряжений.

Требования к точности АЦП1 выше, нежели ко второму. Оба АЦП параллельного типа. Допустим, и тот и другой 4-разрядные, в каждом используется по 16 компараторов. В итоге получается 8-разрядный АЦП всего на 32 компараторах, тогда как при построении по параллельной схеме понадобилось бы 28 – 1 = 255 шт. Быстродействие примерно раза в два хуже. Помимо этого бывают многотактные последовательно-параллельные и конвейерные АЦП. У них несколько иная структура. К примеру, многотактные преобразователи работают с различным шагом квантования, т. е. в преобразователе процесс преобразования разделен во времени. В один момент времени формируются старшие разряды, в другой момент времени шаг квантования уменьшается и формируются младшие разряды.

Правильный и обоснованный выбор устройств ЦАП и АЦП обеспечивает точность представления информации и формирования управляющих воздействий, быстродействие системы и ее надежность.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключается принцип цифроаналогового преобразования?

2.Дайте определение дискретизации.

3.Дайте определение квантования.

4.Охарактеризуйте принцип дискретизации и квантования.

5.Представьте схемы параллельного и последовательного

АЦП.

6.Опишите последовательно-параллельные АЦП.

149

7. Обоснуйте низкое быстродействие АЦП последовательного счета.

10. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ

10.1. Программируемые логические контроллеры

Многие системы управления строятся на основе простых, не имеющих развитых интерактивных средств, микропроцессорных блоков – контроллеров. Контроллер – это мозг любой автоматической машины, обеспечивающий логику ее работы.

Термином «промышленный контроллер» обозначают микропроцессорное устройство со встроенным аппаратным и программным обеспечением, которое используется для выполнения функций управления технологическим оборудованием.

Развитие систем управления идет по двум направлениям: создание специализированных и разработка универсальных контроллеров. Специализированным контроллером считается устройство, которое разрабатывалось для конкретного применения и не может применяться в иных местах. Разработка специализированного контроллера базируется на идее минимизации аппаратных и программных средств, для того чтобы в конечном итоге добиться оптимизации таких качественных показателей системы, как быстродействие, точность, стоимость, массогабаритные показатели. Такой контроллер может быть встроен только в конкретную машину и обладает жесткой логикой работы, заложенной при изготовлении. Проектирование таких контроллеров окупается только для изделий, выпускаемых значительным тиражом.

При создании машин, занятых в сфере промышленного производства, как правило, приходится иметь дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того, очень существенной здесь является возможность быстрой перенастройки обору-

150