4. Вопрос: Охарактеризуйте основные компоненты подсистемы ввода/вывода аналоговой информации.

Ответ: Часто микро-ЭВМ и ПК используется в таких областях, где система связи с объектами управления являются основным, а подчас и единственными средствами общения ЭВМ с внешним миром. В состав этих систем, как правило, обязательно входит подсистема ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов. Устройства этой подсистемы могут входить в состав периферийного оборудования ЭВМ, или могут находиться в составе программируемых устройств объектов управления. При взаимодействии компьютера с программируемыми устройствами объектов управления (например, с программируемыми электронными приборами, используемыми в системах автоматизации научных исследований: регистраторами, генераторами, частотомерами, ЦАП, АЦП и т. п.) могут использоваться стандартные малые и периферийные ИВВ, специализированные внешние ИВВ или стандартные универсальные внешние интерфейсы. К последним можно, например, отнести интерфейс GPIB

(General Purpose Interface Bus) - интерфейсная шина общего назначения, известная у нас как КОП (Канал Общего Пользования), интерфейсы системы КАМАК (CAMAC) и ряд других. Эта СВВ позволяет получать информацию об аналоговых процессах и параметрах, характеризуемых непрерывным изменением величины, например, температуры, давления, механического перемещения, напряжения и т.п. Информация о таких параметрах представляется в виде аналоговых сообщений. Для восприятия сообщения цифровой машиной аналоговое сообщение преобразуется в цифровую форму; такое преобразование выполняется посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровое сообщение от ЭВМ, служащее для управления аналоговым объектом, преобразуется в аналоговую форму; это преобразование осуществляется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Для обеспечения правильности функционирования объектов управления или хода технологических процессов необходимо, чтобы характеристики СВВ и ее компонентов соответствовали характеру изменения параметров процесса, т.е. необходимо выбирать СВВ и ее компоненты в соответствии с характеристиками управляемых процессов. Ограничимся рассмотрением СВВ, в которых в качестве ЦАП и АЦП используются преобразователи цифровых кодов в напряжение постоянного тока (ПКН) и напряжения в цифровые коды (ПНК). Помимо ПНК и ПКН в состав этих СВВ входят мультиплексоры и демультиплексоры аналоговых сигналов, схемы сохранения уровней напряжения (аналоговые запоминающие элементы), ключи и т.п.

Помимо ЦАП и АЦП широко распространены непосредственные преобразователи механических перемещений в цифровые коды и обратно; такие преобразователи широко используются в качестве узлов систем управления, в частности в электромеханических ПУ. К основным характеристикам АЦП и ЦАП принято относить диапазон изменения входной (или выходной) величины, разрешающую способность, инструментальную погрешность и быстродействие. Диапазон изменения входной величины определяет допустимые уровни преобразуемого сигнала; для ПНК этот диапазон задается в виде максимального Umax и минимального Umin напряжений на входе преобразователя. Наиболее распространены ПНК с диапазоном 5В или

(0-10)В. Разрешающая способность R для АЦП определяется величиной кванта ΔКВ и характеризует наименьшее различимое изменение входной аналоговой величины. Общее число состояний входного сигнала, различимых посредством АЦП. В случае, если для представления цифрового сообщения в таком АЦП или ЦАП используется двоичный (прямой, инверсный, смещенный и т.п.) код, то разрядность, т.е. число

двоичных разрядов n этого кода, составит:

n =ent(1+log 2 ((U max-U min)/ R) где символ ent означает выделение целой части числа; КВ R = D . Инструментальная погрешность включает в себя погрешности настройки, временной итемпературной нестабильности, нестабильности источников питания и т.п. Все инструментальные погрешности проявляются в виде смещения нуля передаточной характеристики, изменения коэффициента передачи и отклонения передаточной характеристики от идеальной. Значение инструментальной погрешности определяется возможностями технологии и используемыми компонентами для выбранного алгоритма преобразования; снижение инструментальной погрешности обычно связано со значительными затратами. При правильном выборе АЦП и ЦАП инструментальная погрешность должна соответствовать величине

кванта. Таким образом, инструментальная погрешность определяет возможную разрядность преобразователя. Современные ПНК характеризуются разрядностью п = (8 — 14) и выше (до 64). Каждый отсчет, представляемый в АЦП и ЦАП n—разрядным числом, является неделимым для обработки квантом информации, однако передаваться через интерфейс он может параллельно-последовательным способом. (Разрядность преобразователей угловых и линейных механических перемещений в цифровой код достигает n = (20-22) и выше). Быстродействие АЦП и ЦАП характеризуют временем преобразования ТПР, т.е. интервалом от начала преобразования до момента получения выходного сигнала. Для АЦП значение T< T ПР, где Т — шаг дискретизации; для ЦАП в качестве ТПР принимают время установления выходной величины с заданной точностью (обычно с точностью до величины кванта). Время преобразования определяется не только быстродействием используемых элементов АЦП, но и алгоритмом преобразования и разрядностью преобразователя. Преобразователи цифрового кода в напряжение постоянного тока.

Принцип действия ПКН заключается в суммировании анало­говых величин (токов или напряжений), пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода. ПНК могут быть однополярными, двуполярными.

Преобразователи напряжения постоянного тока в цифровой двоичный код.

Принцип действия большинства ПНК основан на подборе кода, который, будучи преобразованным в напряжение, позволяет получать минимальное отклонение от входного напряжения Ux, поступающего на ПНК. В схемах ПНК используются преобра­зователи кода в напряжение, логические схемы подбора кода и компараторы, осуществляющие сравнение входного напряжения Ux и напряжения UA на выходе ПКН. Компараторы (их иногда называют схемами сравнения, или нуль-органами) строятся, как правило, на базе дифференциальных ОУ; они позволяют формировать дискретный выходной сигнал С в зависимости от знака разности входных аналоговых напряжений Ux и UA , т.е.

Алгоритм подбора кода определяет быстродействие ПНК, слож­ность его технической реализации и во многих случаях достижимую разрядность. Одним из наиболее распространенных является алгоритм последовательного приближения. Алгоритмы преобразования и схемные решения ПНК харак­теризуются большим разнообразием, что обусловлено необходимостью получения высокой точности или высокого быстродействия, а также особенностями технологии. Наибольшим быстродействием обладают ПНК непосредственного считывания (рис.4.9), в которых реализуется алгоритм параллельного преобразования. Весьма распространенным методом преобразования является двойное интегрирование. ПНК, реализующие этот метод, позволяют получать высо­кую точность, соответствующую 14-16 двоичным разрядам. Однако такие ПНК имеют низкое быстродействие.