1. Лекция 2

В системах автоматизации, контроля и испытаний, содержащих ЭВМ, широко используются преобразователи аналоговых величин в цифровые и преобразователи цифровых величин в аналоговые.

1. Способ квантования.

Принцип преобразования напряжения в цифровой код заключается в следующем. Предположим, что какой-то датчик вырабатывает напряжение, изменяющееся произвольно. Весь диапазон возможных значений напряжения датчика разбивают на уровни. Расстояние между уровнями берется одинаковым и называется шагом квантования. Каждому уровню присваивается код (обычно двоичный). Число уровней берется равным 2ⁿ, где n – разрядность кода. На рис.6 приведен пример, когда имеется восемь уровней квантования.

Рис. 6 Схема преобразования напряжения в цифровой код

В момент времени t=0 напряжение на выходе датчика имеет значение, находящееся между первым и вторым уровнями, что соответствует значению кода 001, который присвоен ближайшему нижнему уровню. В момент времени следующего опроса t₁ (T_ОПР. – время между очередными опросами) напряжение равно четвертому уровню, код которого соответствует 100. В момент времени t₂ напряжение больше шестого уровня, что соответствует коду 110, и т.д. таким образом, преобразователь формирует и передает коды тех уровней, которые равны или наиболее близки снизу мгновенному значению напряжения на выходе датчика в момент опроса. Чем больше в преобразователе уровней, тем меньше шаг квантования и тем точнее преобразование сигнала, снимаемого с датчика.

2. Аналогово-цифровые преобразователи (ацп).

АЦП предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. По принципу получения кода АЦП подразделяются на: ступенчатого кодирования, разрядного кодирования.

В ступенчатых АЦП код изменяется до требуемого значения ступеньками, поэтому их быстродействие ниже быстродействия АЦП разрядного кодирования. Под быстродействием здесь понимается время, которое требуется затратить на преобразование одной выборки входного сигнала в код. В АЦП ступенчатого типа для кодирования используется счетчик, который суммирует счетные импульсы. Поэтому такие АЦП иногда называются преобразователями последовательного типа.

В АЦП разрядного типа используются регистры или шифраторы, что позволяет во время каждого такта работы преобразователя кодировать один, несколько или сразу все разряды кода.

Преобразователи напряжения в код. Схема преобразователя напряжения в код ступенчатого типа представлена на рис.7.

Рис. 7Схема преобразователя напряжения в код

ГИ – генератор импульсов; ВИП – времяимпульсный преобразователь; СТ – счетчик триггеров.

На вход системы подается напряжение U_ВХ, которое с помощью время - импульсного преобразователя ВИП преобразуется в электрический импульс. Длительность этого импульса прямо пропорциональна входному напряжению U_ВХ. В период t_n действия импульса открыта схема совпадения и на вход двоичного счетчика поступают импульсы стабильной частоты от генератора импульсов ГИ. Состояние каждого триггера счетчика соответствует разряду двоичного числа (2⁰, 2¹…2^n-1). При поступлении на счетчик определенного числа N импульсов за время t_n триггеры счетчика принимают определенные состояния, характеризующие двоичное число, пропорциональное входному напряжению. Описанным способом формируется двоичный код, числовое значение которого пропорционально входному напряжению.

Рассмотренный преобразователь – небалансный, так как не содержит обратной связи по выходу, т.е. по коду. Применяются также и балансные преобразователи (рис.8).

Рис. 8 Схема преобразователя напряжения в код с обратной связью

ГИ – генератор импульсов; СУ – сравнивающее устройство; СТ – Счетчик триггеров; ПКН – преобразователь кода в напряжение.

Преобразователь кода в напряжение ПКН, включенный на выходе счетчика преобразует код, снимаемый со счетчика, в напряжение управления U_У, пропорциональное коду. При равенстве напряжений U_У и U_ВХ, сравнивающее устройство СУ прекратит выдачу сигнала на схему И, в результате чего престанут поступать импульсы на вход счетчика, т.к. схема И будет закрыта. В этот момент код, снимаемый с выхода счетчика, будет пропорционален входному напряжению.

Схема И - реализует логическую операцию «конъюнкция». На входе Х-есть, У-есть, на выходе Z-есть; На входе Х-есть, У-нет, на выходе Z-нет; На входе Х-нет, У-нет, на выходе Z-нет.

Преобразователь угла поворота в код. Широкое распространение получили преобразователи угловых перемещений в код, представляющие собой кодирующий диск, закрепленный на валу измерительного механизма (рис.9)

Рис. 9 Схема преобразователя угловых перемещений в код:

а - пример преобразователя пятиразрядного двоичного кода

б – пример преобразователя циклического кода

Диск разбивается на концентрические окружности, число которых равно числу разрядов кода. На эти окружности наносится изображение кода. При повороте диска считывающее устройство, являющееся неподвижным, фиксирует код, соответствующий углу поворота диска. На рис. 9 приведен диск для 5 разрядного двоичного кода.

Считывающее устройство для кодирующих дисков бывает контактным, фотоэлектрическим и др. при использовании контактного считывающего устройства проводящие части диска (заштрихованные) выполняются из металла, а непроводящие (не заштрихованные) – из изоляционного материала. Считывающим устройством служат контакты, скользящие по кольцам диска. При использовании фотоэлектрического считывающего устройства, заштрихованные части диска (маска) выполняется светонепроводящими, а не заштрихованные – светопроводящими (обычно стекло). Заштрихованные участки диска соответствуют «0», а не заштрихованные – «1». Диск с одной стороны освещается источником света. С другой стороны диска располагается неподвижные фоточувствительные элементы (фоторезисторы, фотодиоды). При каждом положении диска освещаются только те фотодиоды, которые соответствуют «1».

Из-за неточного нанесения масок, а также неточного расположения считывающих устройств при считывании кодов могут возникать ошибки. Для предотвращения таких ошибок были созданы специальные коды для нанесения масок.