Аналогово-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Нормувальні перетворювачі. Перетворювачі інтерфейсів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Красноградський технікум механізації сільського господарства імені Ф.Я Тимошенка

Самостійне вивчення з: «Основи автоматики»

Аналогово-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Нормувальні перетворювачі. Перетворювачі інтерфейсів

Студента групи Е-31

Цекова Георгія Олексійовича

Красноград 2017

План

1. Аналогово-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі. Нормувальні перетворювачі

2. Нормувальні перетворювачі. Перетворювачі інтерфейсів

1. Аналогово-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) це пристрої, які приймають вхідні аналогові сигнали та генерують відповідні до них цифрові сигнали, які придатні для обробки мікропроцесорами та іншими цифровими пристроями. Принципово не виключена можливість безпосереднього перетворення різних фізичних величин в цифрову форму, однак це завдання вдається розв'язати тільки досить рідко через складність таких перетворювачів. Тому зараз найраціональнішим вважається спосіб перетворення різних за фізичною природою величин спочатку в функціонально пов'язані з ними електричні, а потім уже за допомогою перетворювачів напруга - код - в цифрові. Саме ці перетворювачі і мають на увазі, коли говорять про АЦП.Процедура аналого-цифрового перетворення неперервних сигналів, яку реалізовують за допомогою АЦП, це перетворення неперервноїфункції часу , яка описує вхідний сигнал, у послідовність чисел {}, =0,1,2,…, що віднесені до деяких фіксованих моментів часу. Цю процедуру можна розділити на дві самостійні операції: дискретизацію і квантування.Найпоширенішою формою дискретизації, як зазначалось, є рівномірна дискретизація, в основі якої лежить теорема відліків. Згідно з цією теоремою як коефіцієнти потрібно використовувати миттєві значення сигналу в дискретні моменти часу , а період дискретизації вибирати з умови:

де - максимальна частота спектра сигналу, що перетворюється.

Тоді отримаємо відомий вираз теореми відліків

Для сигналів зі строго обмеженим спектром цей вираз є тотожністю. Однак спектри реальних сигналів прямують до нуля тільки асимптотично. Застосування рівномірної дискретизації до таких сигналів викликає виникнення в системах обробки інформації специфічних високочастотних спотворень, які зумовлені вибіркою. Для зменшення цих спотворень необхідно або збільшувати частоту дискретизації, або використовувати перед АЦП додатковий фільтр нижніх частот, який обмежуватиме спектр вхідного сигналу перед його аналого-цифровим перетворенням.У загальному випадку вибір частоти дискретизації буде залежати також від вигляду функції , що використовується в першій формулі розділу та допустимого рівня похибок, які виникають при відновленні початкового сигналу за його відліками. Усе це необхідно враховувати при виборі частоти дискретизації, яка визначає необхідну швидкодію АЦП. Часто цей параметр задають розробнику АЦП.

Розглянемо докладніше місце АЦП при виконанні операції дискретизації.

Для достатньо вузькосмугових сигналів операцію дискретизації можна виконувати за допомогою самих АЦП і суміщати таким чином з операцією квантування. Основною закономірністю такої дискретизації є те, що за рахунок скінченного часу одного перетворення та невизначеності моменту його закінчення, який, у загальному випадку, залежить від параметрів вхідного сигналу, не вдається отримати однозначної відповідності між значеннями відліків та моментами часу, до яких їх потрібно віднести. В результаті при роботі із сигналами, які змінюються в часі, виникають специфічні похибки, динамічні за своєю природою, для оцінки яких вводять поняття апертурної невизначеності, яка переважно характеризується апертурним часом.

Апертурним часом називають час, протягом якого зберігається невизначеність між значенням вибірки та часом, до якого вона відноситься. Ефект апертурної невизначеності проявляється або як похибка миттєвого значення сигналу при заданих моментах вимірювання, або як похибка моменту часу, в який проводиться вимірювання при заданому миттєвому значенні сигналу. При рівномірній дискретизації наслідком апертурної невизначеності є виникнення амплітудних похибок, які називаються апертурними та чисельно рівні приростові сигналу протягом апертурного часу.

Якщо використовувати іншу інтерпретацію ефекту апертурної невизначеності, то її наявність викликає "тремтіння" істинних моментів часу, в які беруться відліки сигналу, відносно моментів, які рівновіддалені на осі часу. В результаті замість рівномірної дискретизації зі строго постійним періодом проводиться дискретизація с флюктуючим періодом повторення. Це викликає порушення умов теореми відліків та появи уже розглянутих апертурних похибок в системах цифрової обробки інформації.

Таке значення апертурної похибки можна визначити, розклавши вираз для вхідного сигналу в ряд Тейлора в околі точок відліку, який для -ї точки має вигляд:

та в першому наближенні дає апертурну похибку:де - апертурний час, який для розглянутого випадку в першому наближенні є часом перетворення АЦП.

Зазвичай для оцінки апертурних похибок використовують синусоїдальний випробувальний сигнал .

Рисунок 4.4 Утворення апертурної похибки для випадку, коли вона дорівнює крокові квантування

Якщо прийняти, що для -розрядного АЦП з роздільною здатністю апертурна похибка не повинна перевищувати кроку квантування (рис. 4.4), то залежність між частотою сигналу , апертурним часом та відносною апертурною похибкою буде такою:

Для забезпечення дискретизації синусоїдального сигналу частота якого 100 кГц з похибкою 1% час перетворення АЦП повинен бути рівним 25 нс. У той же час за допомогою такого швидкодіючого АЦП принципово можна дискретизувати сигнали, які мають ширину спектра біля 20 МГц. Таким чином, дискретизація за допомогою самого АЦП викликає суттєве розходження вимог між швидкодією АЦП та періодом дискретизації. Це розходження досягає 2...3 порядків та дуже ускладнює і здорожує процес дискретизації, оскільки навіть для порівняно вузькополосних сигналів потребує досить швидкодіючих АЦП. Для достатньо широкого класу сигналів, які швидко змінюються, цю проблему вирішують за допомогою пристроїв вибірки-зберігання, що мають малий апертурний час.

Рисунок 4.5 Класифікація аналогово-цифрових перетворювачів

Зараз відома велика кількість методів перетворення напруга - код. Ці методи суттєво відрізняються один від одного потенційною точністю, швидкістю перетворення та складністю апаратної реалізації. На рис. 4.5 наведена класифікація АЦП за методами перетворення.

В основу класифікації АЦП покладено ознаку, яка вказує на те, як в часі розгортається процес перетворення аналогової величини в цифрову. В основі перетворення вибіркових значень сигналу в цифрові еквіваленти лежать операції квантування та кодування. Вони можуть проводитись за допомогою або послідовної, або паралельної, або послідовно-паралельної процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

Розглянемо детальніше найбільш поширені типи АЦП.

Функціонування аналого-цифрового перетворення за методом послідовного підрахунку можна проілюструвати за допомогою структурної схеми на рис. 4.6.

Рисунок 4.6 АЦП послідовного підрахунку

До складу схеми входять: генератор тактових сигналів (G), компаратор напруги (КН), схема І, лічильник (ЛЧ), буферний регістр (БР), цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). Схема працює наступним чином. На вхід перетворювача подається аналоговий сигнал , який підключається до одного з входів компаратора напруги КН. На другий вхід компаратора подається еталонна напруга (), яка формується на виході ЦАП під управлінням колового слова на виході ЛЧ. Компаратор формує на своєму виході сигнал або логічної одиниці, або логічного нуля в залежності від того, яке значення більше. Якщо , то на виході компаратора формується одиниця, яка дозволяє проходження імпульсів з тактового генератора через схему І на лічильний вхід лічильника ЛЧ. На виході лічильника йде процес підрахунку цих імпульсів в двійковому коді від 2 до 2. Двійковий код з ЛЧ подається на вхід ЦАП, на виході якого формується ступінчатий сигнал . Кожна сходинка цього сигналу відповідає за рівнем інтервалу дискретизації . Сигнал порівнюється із сигналом і в момент, коли стає меншим за , на виході компаратора формується сигнал логічного нуля. Схема І закривається, лічильник зупиняє підрахунок і набраний двійковий код переписується у вихідний буферний регістр БР для видачі користувачу.

Метод безпосереднього зчитування реалізовується за допомогою так званого АЦП паралельної дії. Такий перетворювач має лінійку 2 компараторів напруги, перші входи яких запаралелені і на них подається сигнал . На інші входи під'єднуються виходи подільника еталонної напруги. Виходи компараторів під'єднані до перетворювача одиничного коду в двійковий. Процес перетворення здійснюється за один такт, причому на виході лінійки компараторів до компаратора, який зафіксує буде хвиля одиниць, а далі хвиля нулів одиничного коду. Структурно-функціональна схема перетворення зображена на рис. 4.7, а часова діаграма аналогічна рис. 4.9.

Рисунок 4.7 АЦП безпосереднього зчитування

Найбільше поширення отримав метод порозрядного зрівноваження, який забезпечує час перетворення від 1 мкс до 1 мс. Структурно-функціональна схема перетворення зображена на рис. 4.8, а часова діаграма - на рис. 4.9.

Рисунок 4.8 АЦП порозрядного зрівноваження

Рисунок 4.9 Часова діаграма перетворення АЦП за методом порозрядного зрівноваження при

Схема працює так. На вхід АЦП подається вхідний сигнал , який порівнюється з еталонним сигналом , що формується на виході ЦАП. ЦАП складається із сукупності еталонних джерел сигналів, які управляються за допомогою спеціального регістра порозрядного зрівноваження (РПУ). Перетворення проходить за часових тактових інтервалів. Причому на першому такті РПУ примусово вмикає в роботу перший розряд ЦАП. Значення першого розряду еталонних величин на виході ЦАП дорівнює половині діапазону перетворення сигналу. Потім в кінці першого тактового інтервалу компаратор проводить порівняння з . Якщо , то примусово увімкнений старший розряд ЦАП залишається ввімкненим до закінчення процесу перетворення. Це забезпечується під управлінням певного сигналу на виході компаратора (1чи 0). Якщо ж , то перший розряд вимикається на початку другого такту. На початку другого такту в роботу примусово вмикається другий розряд ЦАП і знову проводиться порівняння з . Процедура повторюється доти, поки всі розряди ЦАП не візьмуть участі у процесі зрівноваження. В результаті на виході АЦП формується код, що відповідає вхідному сигналу.

Інтегруючі АЦП

Відомо, що недоліком послідовних АЦП є низька завадостійкість результатів перетворення. Дійсно, вибірка миттєвого значення вхідної напруги, переважно включає доданок у вигляді миттєвого значення завади. Згодом при цифровій обробці послідовності вибірок ця складова може бути подавлена, однак на це потрібен час та обчислювальні ресурси. Переважно у АЦП вхідний сигнал інтегрується або неперервно, або у певному часовому діапазоні, тривалість якого зазвичай вибирається кратною періодові завади. Це дозволяє в багатьох випадках приглушити заваду ще на етапі перетворення. Платою за це є понижена швидкодія інтегруючих АЦП.

Спрощена схема АЦП, який працює в два основних такти (АЦП двотактного інтегрування), наведена на рис. 4.10.

Рисунок 4.10 Спрощена схема АЦП двотактного інтегрування

Перетворення проходить протягом двох стадій: стадії інтегрування та стадії підрахунку. На початку першої стадії ключ замкнутий, а ключ розімкнутий. Інтегратор інтегрує вхідну напругу . Час інтегрування вхідної напруги постійний; як таймер використовується лічильник з коефіцієнтом підрахунку , так, що

До моменту закінчення інтегрування вихідна напруга інтегратора складає

де - середнє за час значення вхідної напруги.

Після закінчення стадії інтегрування ключ розмикається, а ключ замикається та опорна напруга надходить на вхід інтегратора. При цьому вибирається опорна напруга, протилежна за знаком вхідній напрузі. На стадії підрахунку вихідна напруга інтегратора лінійно зменшується за абсолютною величиною, як показано на рис. 4.11.

Рисунок 4.11 Часові діаграми АЦП двотактного інтегрування

Стадія підрахунку закінчується, коли вихідна напруга інтегратора переходить через нуль. При цьому компаратор К переключається та підрахунок зупиняється. Діапазон часу, у якому проходить стадія підрахунку, визначається рівнянням

Далі, виконавши прості математичні дії і врахувавши, що:

де - вміст лічильника після закінчення стадії підрахунку,

отримаємо результат

З цієї формули випливає, що відмітною рисою методу багатотактного інтегрування є те, що ні тактова частота, ні постійна інтегрування не впливають на результат. Необхідно тільки, щоб тактова частота протягом часу залишалася постійною. Це можна забезпечити при використанні простого тактового генератора, оскільки істотні часові чи температурні дрейфи частоти відбуваються за час який більший, ніж час перетворення.

При виведенні попередніх виразів ми бачили, що в остаточний результат входять не миттєві значення перетворюваної напруги, а тільки значення, усереднені за час . Тому змінна напруга послабляється тим сильніше, чим вища її частота.

Визначимо коефіцієнт передачі завади для АЦП двотактного інтегрування. Нехай на вхід інтегратора надходить гармонічний сигнал одиничної амплітуди частотою з довільною початковою фазою . Середнє значення цього сигналу за час інтегрування дорівнює

Коли ця величина досягає максимуму за модулем, то

Частотна характеристика коефіцієнта приглушення завад АЦП двотактного інтегрування наведена на рис. 4.12.

Рисунок 4.12 Частотна характеристика коефіцієнта приглушення завад АЦП двотактного інтегрування

Як бачимо змінна напруга, період якої в ціле число раз менший , приглушується зовсім Тому доцільно вибрати тактову частоту такою, щоб добуток був рівним чи кратним періоду напруги промислової мережі.

Багатоканальні АЦП

Багатоканальні АЦП на сьогодні досить поширені, особливо там, де потрібно об'єднати інформацію, отриману від кількох її джерел, тобто, наприклад, від різних сенсорів. Такі АЦП можна застосовувати, наприклад, для моніторингу напруги на входах, контролю крайніх значень, реєстрації показів, управління виходами (навантаженням) тощо. Схема багатоканального АЦП УМ-АЦП1 на основі мікроконтролера РІC16F876A наведена на рис. 4.13.

Комерційна версія такого пристрою має по 40 входів та виходів, але їх кількість може бути й іншою.

Цимфро-анамлоговийперетвомрювач

ЦАП (англ. DAC -- Digital-to-AnalogConvertor) -- електронний пристрій для перетворення цифрового (як правило двійкового) сигналу на аналоговий. Пристрій, що виконує зворотну дію, називається аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП).

Як правило ЦАП отримує на вхід цифровий сигнал в імпульсно-кодової модуляції PCM (англ. pulse-codemodulation). Перетворення різних стиснутих форматів в PCM виконується відповідними кодеками.

Використання

ЦАП використовується завжди, коли необхідно перетворити сигнал з цифрового формату в аналоговий. ЦАП використовується в системах керування технологічними процесами, програвачах CD/DVD, звукових картах ПК. ЦАП на основі аналогового суматора, опори вхідних резисторів R1--Rn мають співвідноситись як основа системи числення, для двійкової системи кожен наступний -- в 2 рази більший.

Реалізація

В найбільш простому випадку ЦАП може бути реалізований за схемою токового суматора, наприклад -- на основі інверсного диференціального підсилювача, на інверсному вході якого відбувається складання струмів. Зважаючи, що при заземленому неінверсному вході, операційний підсилювач, охоплений від'ємним зворотнім зв'язком, буде підтримувати нульовий потенціал і на інверсному вході. Як наслідок, вхідні струми будуть однозначно визначатись вхідними напругами та опорами вхідних резисторів, а струм у ланцюзі зворотнього зв'язку -- вихідною напругою та опором резистора зворотнього зв'язку, при цьому сума вхідних струмів буде дорівнювати струму зворотнього зв'язку, а вихідна напруга буде пропорційною сумі вхідних.

2. Нормувальні перетворювачі

Для перетворення вихідних сигналів первинних перетворювачів в уніфікований сигнал використовуються нормувальні перетворювачі. Особливої актуальності такі датчики набувають у системах автоматичного контролю та керування - АСКТП та ІВС, оскільки мікропроцесорні системи в основному працюють з уніфікованими сигналами 0.5 і 4.20мА.

Нормувальні перетворювачі для роботи з термоелектричними термометрами

Для перетворення термо ЕРС термоелектричних термометрів в уніфіковані сигнали постійного струму типу 0.5; 0.20; 4.20 мА використовуються нормувальні перетворювачі. Промисловість України випускає перетворювачі таких типів: Ш78; П282; Ш705 з класами точності 0,4; 0,5; 1,0 та навантажувальними вихідними опорами 10; 2,5; 1; 0,5 кому.

Принцип дії нормувальних перетворювачів (рис.2.6) ґрунтується на статичній автокомпенсації. Сигнал E(t;to) від термоелектричного термометра подається на вимірювальний міст постійного струму і далі -- на вхід підсилювача ЕПП. Вимірювальний міст складається з манганінових резисторів R1, R2, R3 і мідного резистора RМ, за допомогою якого вводитися термокомпенсація вільних кінців термоелектричного термометра. Резистор RМ розміщується поряд з вільними кінцями термометра. ТермоЕРС термоелектричного термометра за допомогою мосту постійного струму коригується шляхом зміни падіння напруги вимірювальної діагоналі ( з-d) за рахунок мідного резистора RМ. Загальний сигнал термоелектричного термометра і вимірювальної діагоналі компенсуючого мосту дорівнює E(t;to)+Ucd.

Принципова схема нормувальногоперетворювача для роботи з термоелектричним термометром

Принципова схема нормувальногоперетворювача для роботи з терморезисторним термометром

аналоговий цифровий перетворювач дискретизація

Електронний підсилювач ЕПП виконаний за схемою модулятор-демодулятор. Демодульований сигнал підсилюється електронним підсилювачем постійного струму, вихідний струм Івих якого, проходячи через навантажувальний резистор RМ подається на пристрій зворотного зв'язку ПЗЗ. Струм зворотного зв'язку І33, проходячи через резистор Rзз зворотного зв'язку, створює падіння напруги Uзз на ньому, яку компенсує загальний сигнал термоелектричного термометра:

E(t; t0) ёUcd = Uзз.

Нескомпенсований сигнал ДU=U33-E(t;t0)-Ucd підсилюється підсилювачем ЕП, що спричиняє зміну вихідного струму Івих, струму зворотного зв'язку Ізз, зміни компенсуючої напруги Uзз і зрештою рівноваги сигналів схеми.

Нормувальні перетворювачі для роботи з терморезисторними перетворювачами

Для лінійного перетворення пасивного сигналу-опору термометра Rt в уніфікований сигнал постійного струму 0.5 і 4.20 мА призначені нормувальні перетворювачі типів Ш79; ІІ282 і Ш703 з класами точності 0,4; 0,5; 1,0 і навантажувальними опорами 2,5; 1; 0,5 кому.

Принцип дії нормувальних перетворювачів ґрунтується на статичній автокомпенсації. До складу перетворювача (рис.2.7) входять такі основні вузли: вимірювальний міст ВМ постійного струму з джерелом стабілізованого живлення (ДСЖ), електронний підсилювач ЕПП, пристрій від'ємного зворотного зв'язку ПЗЗ та навантажувальний опір Rн і опір зворотного зв'язку Rзз.

Вимірювальний міст ВМ складається із чотирьох манганінових резисторів R1, R2, R3, R4, термометра опору Rt та двох резисторів ліній зв'язку Rл. У діагональ живлення а-b мосту увімкнено джерело живлення постійного струму, а вимірювальна діагональ із-d під'єднана до електронного підсилювача ЕПП.

Електронний підсилювач ЕПП зібраний за схемою модулятор-демодулятор. Модульований сигнал підсилюється електронним підсилювачем, вихідний струм Івих якого проходячи через резистор Rзз подається на пристрій зворотного зв'язку ПЗЗ. Струм Ізз проходячи через резистор зворотного зв'язку Rзз спричиняє на ньому падіння напруги Uзз, яку компенсує падіння напруги Ucd вимірювальної діагоналі вимірювального мосту ВМ:

Ucd = Uзз.

Початковому опорові Rt у вимірювальній діагоналі з-d відповідає сигнал, рівний нулю Ucd=0 і вихідний струм Івих=0,З підвищенням температури в об'єкті вимірювання збільшується опір Rt падіння напруги у вимірювальній діагоналі з-d і пропорційно зростає вихідний струм Iвих нормувального перетворювача.

Крім наведених нормувальних перетворювачів останнім годиною з'явилося багато нових перетворювачів температури, тиску, перепаду тиску та інших величин з уніфікованими сигналами постійного струму, які випускаються як державними, так і малими спеціалізованими підприємствами.

Размещено на Allbest.ru