Файл: El_Skh_goslar_shporalar_Yakup.doc

7. Разработайте функциональную схему устройства ввода аналоговой информации. Используйте схему выборки-хранения для устранения динамической ошибки.

Современные объекты управления и контроля (технологические или исследовательские) характеризуются разнообразием и обилием контролиру­емых и управляемых параметров. Поэтому устройства, обеспечивающие взаимодействие аналогового объекта с цифровым управляющим процессо­ром, могут быть разделены на индивидуальные и коллективные. К индивидуальным устройствам следует отнести усилительно-нормализующие , в том числе и фильтрующие, усилительные, обеспечиваю­щие управление, а также передающие устройства для аналоговых сигналов. Коллективными являются подсистемы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, на которые и возлагается большая часть нагрузки по согласованию аналоговой и цифровой частей системы. Именно эти подсистемы, представляющие достаточно сложную совокупность аналоговых и цифровых функциональных элементов, относят к устройствам ввода-вывода аналоговой информации, называемым также интерфейсами ввода-вывода аналоговой информации. Традиционные структуры рассматривае­мых устройств могут быть представлены рис. 1,2.

Как следует из рис. 1, устройство ввода аналоговых сигналов представля­ет в общем случае многоканальную подсистему сбора аналоговых данных с временным разделением измерительных каналов, реализуемым мульти­плексором аналоговых сигналов MAC. За счет такого решения снижается стоимость аппаратных средств, приходящаяся на один измерительный канал. Поскольку входная информация поступает от источников, сигналы которых могут заметно различаться как по скорости измерения, так и по динамическому диапазону, необходимы устройства, согласующие возможно­сти АЦП с характеристиками сигналов. Эту роль выполняют устройства выборки и хранения СВХ, а также измерительные усилители с программиру­емым коэффициентом усиления ИУ. Все эти устройства в отдельности и в совокупности будут рассмотрены ниже.

Основным элементом устройств вывода аналоговых данных являются цифроаналоговые преобразователи (рис. 2), в которых информация, по­ступающая от цифрового процессора, преобразуется в форму аналоговых управляющих сигналов.

Часто встречаются совмещенные интерфейсы ввода-вывода аналоговой информации.

Конструктивно интерфейсы ввода-вывода аналоговой информации выпускают в настоящее время в виде отдельных плат или модулей и ин­тегральных схем, механически и электрически совместимых с определенны­ми типами вычислительных машин, на которые ориентируется изготовитель. Здесь уместно отметить, что практически все зарубежные фирмы, производя­щие вычислительную технику, особенно микропроцессорную, выпускают аналоговые интерфейсы ввода-вывода.

В настоящее время выпускается три типа аналоговых интерфейсов интерфейсы ввода, интерфейсы вывода, комбинированные интерфейсы ввода-вывода. Каждая из этих разновидностей имеет свою специфику и поэ­тому в дальнейшем они будут рассматриваться отдельно.

Устройство ввода аналоговых сигналов представля­ет в общем случае многоканальную подсистему сбора аналоговых данных с временным разделением измерительных каналов, реализуемым мульти­плексором аналоговых сигналов MAC. За счет такого решения снижается стоимость аппаратных средств, приходящаяся на один измерительный канал. Поскольку входная информация поступает от источников, сигналы которых могут заметно различаться как по скорости измерения, так и по динамическому диапазону, необходимы устройства, согласующие возможно­сти АЦП с характеристиками сигналов. Эту роль выполняют устройства выборки и хранения СВХ, а также измерительные усилители с программиру­емым коэффициентом усиления ИУ.

Схема выборки хранения:

Для запоми­нания изменяющихся аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций в системах сбора информации ис­пользуют схемы выбор­ки — хранения (рис. 6, а), на которомКл — ключ. Элементом памяти схемы выбор­ки -хранения являет­ся конденсатор С (0,1мкФ обычно), подключаемый на время выборки к ис­точнику сигнала. Основные параметры этого устройства: время выборки, апертурное время (интервал времени между подачей сигнала на хранение и момента завершения аналогово-цифрового преобразования) и максимальное время хранения

Использовать вариант а)

Характер разряда С (конденсатора):

Схемы выборки-хранения.

Для запоми­нания изменяющихся аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций в системах сбора информации ис­пользуют схемы выбор­ки — хранения (рис. 6, а), на котором Кл — ключ. Элементом памяти схемы выбор­ки -хранения являет­ся конденсатор С, подключаемый на время выборки к ис­точнику сигнала. Основные параметры этого устройства: время выборки, апертурное время и максимальное время хранения.

К важнейшим характеристикам устройства выборки- хранения относятся: время выборки - время от момента подачи сигнала на выборку до момента установления выходного сигнала; апертурное время — интервал вре­мени между моментом подачи сигнала на хранение и мо­ментом завершения аналого-цифрового преобразования, скорость разрушения информации - изменение выход­ного напряжения вследствие разряда запоминающей емкости; сквозная передача — часть входного сигнала вследствие конечного сопротивления и разомкнутого ключа передается на выход.

Динамическая ошибка-

        динамическая погрешность, динамическое отклонение, разность между требуемым и действительным значениями регулируемой величины, возникающая и измеряющаяся в процессе регулирования

8. Разработайте функциональную схему устройства вывода аналоговой информации. Используйте цап с матрицей r-2r.

Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование резистивной (лестничной) матрицы R —2R, изображенной на рис. 7,6. Выражение (1) реализуется схемой ЦАП при R_OC = 3R.

Практическую реализацию многоразрядных схем ЦАП рационально проводить на основе микросхем, содержа­щих основные блоки ЦАП в одном корпусе.

Плюс: высокая технологичная система, минус: ключей в два раза больше в отличии от ЦАП с двоично-взвешенным сопротивлением.

Режекторный фильтр (заградитель) – это электронный ключ, который фильтрует частоту дискретизации определенной полосы.

Цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответст­вующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя. Цифро-аналоговые преобразователи используются для согласования ЭВМ с аналоговыми устройствами, а также в качестве внут­ренних узлов в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и циф­ровых измерительных приборах. Цифро-аналоговое преобразо­вание в рассматриваемых в данной книге ЦАП состоит в сумми­ровании эталонных величин, соответствующих разрядам входного кода. Применяются в основном два метода цифро-аналогового преобразования: суммирование единичных эталонных величин и суммирование эталонных величин, веса которых отличаются. В первом при формировании выходной аналоговой величины использу­ется только одна эталонная величина весом в один квант. Во втором методе применяются эталонные величины с весами, зави­сящими от номера разряда, и в суммировании участвуют только те эталонные величины, для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица. При этом используется двоичный позиционный код или двоично-десятичный. В случае двоичного позиционного кода значения всех разрядов поступают одновременно на все входы ЦАП. Работа таких ЦАП описывается выражением

Х = Р(а₁2^-1+ а₂2^-2+…+ а_i2^-b), (1)

где Х - выходная аналоговая величина; а_i, — коэффициенты соответствующих двоич­ных разрядов, которые принимают дискретные значения единица или нуль; Р — опорный сигнал; b — число разрядов. Опорным сиг­налом может служить напряжение постоянного или переменного тока. В преобразователях из опорного сигнала формируются эталонные величины, соответствующие значениям разрядов входного кода, которые суммируются и образуют дискретные значения выходной аналоговой величины. Дальнейшая классификация ЦАП может быть проведена по разным признакам:

а) способу формирования выходного сигнала (с суммирова­нием напряжений, делением напряжения, суммированием токов);

б) роду выходного сигнала (с токовым выходом, выходом по напряжению);

в) полярности выходного сигнала (униполярные, биполярные);

г) характеру опорного сигнала (постоянный, переменный);

д) конструктивно-технологическому исполнению (модульные, гибридные, интегральные);

е) типу элементов для суммирования и деления (резистивные, емкостные, оптоэлектронные).

Базовая схема ЦАП, реализующего выражение (1), показанная на рис.7.a, содержит источник опорного напряжения E₀, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный уси­литель. Основные недостатки этой схемы определяются необходимостью применения резисторов с большим диапазоном номиналов, например 1R — 1024R для 10-раз­рядного ЦАП.

Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование резистивной (лестничной) матрицы R —2R, изображенной на рис. 7,6. Выражение (1) реализуется схемой ЦАП при R_OC = 3R.

Практическую реализацию многоразрядных схем ЦАП рационально проводить на основе микросхем, содержа­щих основные блоки ЦАП в одном корпусе.