Передача информации.

Используется 2 основных метода передачи дискретных сигналов:

• Синхронный метод

• Асинхронный метод

Синхронный метод

τ≥Т τ≥Т

Л₀: У₁ →У₂

Τ- период передачи инф-ии

При использовании данного метода передающее устройство У₁ устанавливает одно из двух возможных состояний сигнала: 0 или 1. И поддерживает его в течение заранее выбранного времени, по истечении которого состояния сигнала на передающей стороне может быть изменено.

Время передачи сигнала, которое складывается из времени распространения сигнала по линии Л₀ и времени распознавания и фиксации сигнала в регистре приемного устройства У₂ зависят от параметров линии связи и характеристик приемного и передающего устройств.

Если обозначить через Т- максимальное время передачи сигнала, то для периода синхронной передачи информации должно выполняться условие τ≥Т.

Асинхронный метод

τ≥2t τ≥2t

При асинхронной передаче устройство У₁ устанавливает соответствующее передаваемому коду состояние сигнала на линии Л₀, а устройство У₂ после приема нового состояния сигнала информирует об этом устройство У₁ изменением состояния сигнала на линии Л₁.

Передающее устройство, получив сигнал о приеме, снимает передаваемый сигнал. Таким образом период, в течение которого предающее устройство должно поддерживать состояние сигнала является переменным и зависит от характеристик конкретной линии связи и устройств, участвующих в передаче.

Если обозначить через t- время передачи нового состояния сигнала в один конец линии связи, то при асинхронной передаче выполняется условие τ≥2t.

Обычно время 2t значительно меньше времени Т, которое приходится выбирать исходя из максимального возможных расстояний между устройствами.

АЦП.

АЦП- устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП.

Как правило, АЦП- электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей.

Разрешение АЦП- минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП. Обычно измеряется в вольтах, поскольку для большинства АЦП входным сигналом является электрическое напряжение. В случае единичного измерения без учета шумов разрешение напрямую зависит от разрядности АЦП. Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. Измеряется в битах. Например, АЦП, способный выдать 256 дискретных значений (0…255), имеет разрядность 8 бит, поскольку 28=256.

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений.

Типы преобразования

Линейные АЦП

Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование по сути является нелинейным процессом. Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от m(k+b) до m(k+1+b), где m и b- некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или -0,5.

Нелинейные АЦП

Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным. По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безынерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением. Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.

Точность

Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом. Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР- младший значащий разряд.

Ошибки квантования являются следствием ограниченного разрешения АЦП. Этот недостаток не может быть устранен ни при каком типе аналого-цифрового преобразования. Абсолютная величина ошибки квантования при каждом отсчете находится в пределах от нуля до половины МЗР.

Всем АЦП присущи ошибки, связанные с нелинейностью, которые являются следствием физического несовершенства АЦП. Это приводит к тому, что передаточная характеристика отличается от линейной (точнее от желаемой функции, так как она не обязательно линейна). Ошибки могут быть уменьшены путем калибровки. Важным элементом, описывающим нелинейность, является интегральная нелинейность и дифференциальная нелинейность.

Частота дискретизации

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП. Непрерывно меняющийся сигнал с ограниченной спектральной полосой подвергается оцифровке (то есть значения сигнала измеряются через интервал времени Т- период дискретизации) и исходный сигал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путем интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона точное восстановление возможно только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.

Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным по крайней мере от начала до конца процесса преобразования. Эта задача решается путем использования специальной схемы на входе АЦП- устройства выборки- хранения- УВХ.

Типы АЦП

• АЦП прямого преобразования или параллельный АЦП содержит по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала. В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням ниже уровня входного сигнала, выдадут на своем выходе сигнал превышения. Сигналы со всех компараторов поступают на логическую схему, которая выдает цифровой код, зависящий от того, сколько и какие компараторы показали превышение. Параллельные АЦП очень быстры, но обычно имеют разрешение не более 8 бит, так как имеют большую и дорогую схему. АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную емкость, и могут выдавать кратковременные ошибки на выходе. Часто используются для видео или других высокочастотных сигналов.

• Последовательно-параллельные АЦП сохраняя высокое быстродействие позволяет значительно уменьшить количество компараторов, требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Содержат в своем составе два- три параллельных АЦП. Второй АЦП служит для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в последовательно-параллельных АЦП применяется конвейерная работа параллельных АЦП.

• АЦП последовательного приближения или АЦП с поразрядным уравновешиванием содержит компаратор, вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за N шагов, где N- разрядность АЦП.

• АЦП дифференциального кодирования содержат реверсивный счетчик, код с которого поступает на вспомогательный ЦАП. Входной сигнал и сигнал со вспомогательного ЦАП сравниваются на компараторе. Благодаря отрицательной обратной связи с компаратора на счетчик код на счетчике постоянно меняется так, чтобы сигнал со вспомогательного ЦАП как можно меньше отличался от входного сигнала.

• АЦП сравнения с пилообразным сигналом содержат генератор пилообразного напряжения, компаратор и счетчик времени. Пилообразный сигнал линейно нарастает до некоторого уровня, затем быстро спадает до нуля. В момент начала нарастания запускается счетчик времени. Когда пилообразный сигнал достигает уровня входного сигнала, компаратор срабатывает и останавливает счетчик; значение считывается со счетчика и подается на выход АЦП. Данный тип АЦП является наиболее простым по структуре и содержит минимальное число элементов. Вместе с тем простейшие АЦП этого типа обладают довольно низкой точностью и чувствительны к температуре и другим внешним параметрам. Для увеличения точности генератор пилообразного сигнала может быть построен на основе счетчика вспомогательного ЦАП, однако такая структура не имеет никаких преимуществ по сравнению с АЦП последовательного приближения и АЦП дифференциального кодирования.

• АЦП с уравновешиванием заряда содержат генератор стабильного тока, компаратор, интегратор тока, тактовый генератор и счетчик импульсов. Преобразование происходит в два этапа.

• Конвейерные АЦП используют два или более шага-поддиапазона. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования. На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа быстры, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.

• Сигма-Дельта АЦП производит аналого-цифровое преобразование с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую и путем фильтрации оставляет в сигнале только нужную спектральную полосу.

ЦАП.

ЦАП- устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое.

Типы ЦАП

• Широтно-импульсный модулятор- простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот.

• ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов, создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости.

• Взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных презиционных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит.

• Цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости.

• Сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, так как для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду.

• Гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов.

Регулятор представляет собой некоторое управляющее устройство, построенное по схеме 4хполюсника на операционном усилителе. Выход операционного усилителя соединяется со входом через РС функцию. Таким образом достигается характерное управляющее воздействие на входную величину регулятора. Простейшие законы движения И.О. могут быть описаны простейшими регуляторами П и И, более сложные законы движения П, ПД. Программным путем легко обеспечивается задание различных законов управления с высокой точностью регулирования, а также предусматривается адаптация параметров регулятора в случае изменения магнитного потока Двигателя или других параметров системы. Такие системы обеспечивают задание скорости вращения до 1 оборота в минуту и высокую статическую точность от 0,1 до 0,001%, а также стабилизацию скорости с высокими динамическими свойствами.

Функциональная схема ЭП с прямым цифровым управлением скоростью от ЭВМ.

Схема

Система с прямым цифровым управлением предусматривает управление ЭП-ом от ЭВМ, включая организацию формирования управляющих импульсов на силовые электронные ключи ТП. В схеме можно выделить основные узлы: генератор импульсов ГИ, устройство синхронизации, датчики полного (постоянного) и прерывистого токов и др.

ГИ может быть реализован как программным, так и аппаратным способом. В ЭВМ вводится программа регулирования скорости вращения с помощью ПИ регулятора, и программа регулирования тока, учитывающая изменение направления протекания тока при логических переключениях преобразователя. Программы позволяют регулировать скорость каждые 10милли секунд, а ток каждую миллисекунду.

Системы ЭП постоянного тока с микропроцессорным регулированием используют алгоритмы управления, основанные на принципе подчиненного регулирования. Регулирование скорости вращения реализуется программно с помощью ПИ или ПИД регуляторов.

Регулирование тока в непрерывном режиме осуществляется ПИ регулятором, а в режиме прерывистого тока методом нелинейной коррекции функции тока якоря или функции полного тока питающей сети