Сопряжение с аналоговым миром

1.1. Сравнительный обзор цифровых и аналоговых систем

Цифровая величина принимает значение, которое является одним из двух возможных, например, 0 или 1, низкий или высокий уровень напряжения, ложь или истина и т.п. В действительности цифровые величины (к примеру, уровень напряженния) могут принимать любые значения из некоего диапазона. Например, для устройств на ТТЛ известно, что

напряжение от 0 В до 0,8 В = логическому 0;

напряжение от 2 В до 5 В = логической 1.

Любое значение напряжения, попадающее в диапазон от 0 до 0,8 В, будет расце­ниваться как логический 0, а любое значение напряжения, попадающее в интервал от 2 до 5 В будет расцениваться как логическая 1. Точные значения не существенны, потому что цифровые схемы одинаково реагируют на все напряжения, находящиеся в одном и том же диапазоне значений.

Аналоговая величина, наоборот, может принимать любое значение в непрерывном диапазоне величин и, что самое важное, интерес представляет именно ее точное значение. Например, пусть с выхода аналогового термометра было снято напряжена 2,76 В, которое соответствует, скажем, температуре 27,6°С. Если бы было зафиксировано другое значение напряжения, например, 2,34 В или 3,78 В, то оно бы представляло собой совершенно другую температуру. Иначе говоря, каждое возможное значение аналоговой величины представляет отдельный интерес. Можно привести ещё один пример: выходной сигнал звукового усилителя подается в акустическую систему. Подаваемое напряжение — аналоговая величина, потому что каждое возмоное значение напряжения формирует новый звук в акустической системе.

Большинство физических переменных по своей природе являются аналоговыми и могут принимать любое значение из определенного диапазона. В качестве примеров можно назвать температуру, давление, интенсивность света, звуковые сигналы, скорость вращения или течения. Цифровые системы осуществляют все операции над такими величинами исключительно в цифровой форме, используя для этого элементы цифровой схемотехники. Любую информацию, которая должна быть введена в цифровую систему, необходимо сначала преобразовать в цифровую форму. Выходные же сигналы цифровой системы выражены в цифровом виде изначально. Когда цифровая система, такая как компьютер, должна использоваться для монито­ринга и/или контроля за выполнением

физического процесса, то приходится сталки­ваться с различием между цифровой природой компьютера и аналоговой природой переменных данного процесса. Эта мысль наглядно проиллюстрирована на рис.1. Приведенная блок-схема имеет пять элементов, составляющих систему мониторинга и контроля физических переменных с помощью компьютера.

Преобразователь. Преобразователем называется устройство, которое преобразует физические переменные в электрические. Можно назвать сразу несколько наиболее распространенных преобразователей: терморе­зисторы, фотоприемники, фотодиоды, измерители потока и датчики давления, тахометры. Электрический выходной сигнал преобразователя представляет собой ток или напряжение в аналоговой форме. Значения тока пропорциональны физи­ческой величине, за которой нужно следить. Пусть, например, физическая вели­чина представляет собой температуру воды в большой емкости, которая наполня­ется одновременно горячей и холодной водой. И пусть температура воды колеб­лется от 80 до 150 °Ф. Терморезистор и соответствующая схема преобразуют измеренное значение температуры воды в напряжение, величина которого варьи­руется от 800 до 1500мВ. На выходе преобразователя наблюдается сигнал, прямо пропорциональный температуре, т.е. изменение тем­пературы на 1°Ф приводит к изменению выходного напряжения на 10 мВ. Такой коэффициент пропорциональности был выбран исключительно с целью удобства.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП предназначен для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Аналоговый электрический сигнал с выхода преобразователя служит входным сигналом для АЦП. Цифровой сигнал на вы­ходе этого устройства состоит из определенного количества бит, которые соответствуют величине аналогового сигнала. Например, АЦП можно использовать

для преобразования аналоговых уровней напряжения (от 800 до 1500 мВ) в двоичные значения от 01010000 (80) до 10010110 (150). При этом двоичный выходной сигнал АЦП пропорционален аналоговому напряжению, и каждая единица цифрового сигнала соответствует 10 мВ.

Компьютер. Цифровой сигнал, величина которого соответствует состоянию физической переменной, передается из АЦП на компьютер, сохраняющий цифровое значение величины и обрабатывающий двоичный код в соответствии с заложенной в него программой. Программа может производить какие-то расчеты или операции над поступившим сигналом, в результате чего компьютер сформирует выходной сигнал, который можно использовать для контроля температуры.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Цифровой сигнал с выхода компьтера подается на ЦАП, который преобразует его в пропорциональное аналоговое напряжение или ток. Например, компьютер выдал цифровой сигнал, значения которого колебались от 00000000 до 11111111. ЦАП преобразует этот сигнал в напряжение, величина которого будет колебаться от 0 В до 10 В.

Исполнительный механизм. Аналоговый сигнал с выхода ЦАП обычно поступает на какое-либо устройство или схему, которая служит исполнительным механизмом и управляет физической переменной. В примере с температурой воды исполнительный механизм может контролировать кран, регулирующий поток горячей воды, согласно уровню аналогового напряжения от ЦАП. Скорость потока воды, будет варьироваться в зависимости от величины аналогового напряжения; при О В вода вообще не будет поступать в емкость, а при 10 В скорость заполнении будет максимальной.

Таким образом, функция АЦП и ЦАП состоит в сопряжении полностью цифровых систем (например, компьютеров) с аналоговыми системами в окружающем мире. С недавних пор эта функция стала еще более важной, поскольку микрокомпьютеры вошли в такие области контроля за процессами, где ранее их использование казалось просто невозможным.На рис 1. приведена блок схема АЦП и ЦАП.