15.1. Особенности структур построения

Большинство рассмотренных ранее структур построения ЦПУ предназначено для автономной работы. С широким внедрением микропроцессорной техники возникли задачи оптимизаций связи между ЦПУ и микроЭВМ. В течение про­должительного периода эти устройства развивались независимо друг от друга, вследствие чего часто оказывалось такую связь осуществить затруднительно. Поэтому важное практическое значение имеет рациональное построение отсчет-ных устройств ЦПУ, обеспечивающее удобное сопряжение с микроЭВМ, производительность которых постоянно растет. Тенденция к интеграции пери­ферийных устройств заставляет обратиться к многоканальным ЦПУ, позволяю­щим связать ЭВМ с несколькими датчиками [67]. Такие ЦПУ находят широ­кое применение в цифровых САУ, информационно-измерительных системах я робототехнике.

Классическим является построение многоканального преобразователя с ис­пользованием сельсинов или СКВТ в качестве первичных преобразователей угла, многоканального коммутатора, который по сигналам блока управления

подключает соответствующий СКВТ к входам аналоговых запоминающих уст­ройств, выходы которых через другой коммутатор подключаются к преобразо­вателю отношения напряжений в код. Преобразователь осуществляет кодиро­вание напряжений СКВТ независимо от команд управления процессом записи, информации. В качестве преобразователя может использоваться отсчетная часть циклического или следящего типа. Применение ЦПУ интегрирующего типа в мультиплексных системах ограничено из-за низкой скорости преобразо­вания [3].

Самые простые многоканальные системы с ЦПУ содержат только одну отсчетную часть циклического типа, соединенную с рядом независимых сельси­ нов илн СКВТ. Синхронизирующая цепь последовательно переключает клеммы преобразователя от одного датчика к другому. Подключение канала к отсчет- ной части эквивалентно ступенчатому изменению положения вала, которое циклическим ЦПУ отрабатывается лучше, чем следящим. Однако для того что­ бы гарантировать правильность выборки, преобразователь должен быть присоединен к каждому источнику сигналов в течение 1,25 мс. Это приводит к уменьшению числа выборок на первичный преобразователь (ПП). Например, в одноканальной системе преобразователь стробирует один источник 800 раз в секунду. При двух ПП каждый опрашивает только 400 раз в секунду. Так как количество выборок в секунду падает, динамическая точность пока­заний преобразователя падает вместе с ним.

Вернемся к примеру, где преобразователь определяет угол вала, вращаю­щегося со скоростью 100 град/с. В одноканальной системе погрешность ЦПУ не превышает 0,125° (11-разрядная точность). Предположим теперь, что имеет­ся шестиканальная система, например манипулятор с шестью степенями, и скорость вала в каждом канале также равна 100 град/с. Теперь вместо интервала 1,25 мс между выборками для данного канала требуется 7,5 мс. Погрешность составляет (8-разрядная точность), т.е. лучше, чем со сле-

дящий ЦПУ. Из-за плохой переходной характеристики ему потребовалось бы 100 мс для опроса каждого канала.

Циклическим ЦПУ с периодом стробирования, например, 0,2 мс можно пользоваться, если все источники данных многоканальной системы стробиру-ются одновременно, а выборки уплотняются. Этого можно достичь, поставив УВХ в каждый канал и переключая входные клеммы делителей преобразова­теля последовательно от канала к каналу. Тогда в каждом канале точность соответствует одноканальной системе до некоторого числа каналов. Это число каналов равно шести, поскольку при времени между пиками 1,25 мс возможно только шесть отдельных периодов обращения длительностью 0,2 мс. Увеличение числа каналов в системе приводит к уменьшению числа выборок в секунду, получаемых из каждого канала.

Если выборка производится на каждом пиковом значения несущей, то за один период выборка осуществляется только в двух каналах. Тогда при каналах задержка считывания сигнала в секундах должна составлять где—несущая частота, Гц.

Очевидно, что эффективным средством повышения быстродействия много­канальных циклических ЦПУ является запитка СКВТ напряжением повышен­ной частоты. Ее верхняя граница определяется быстродействием УВХ или де­модулятора и АЦП. Повышению эффективности этих устройств уделяется существенное внимание с точки зрения как совершенствования технологии ИМС,

так и схемного построения [61]. С учетом перспектив развития микросхема-техники следует ожидать в ближайшее время повышения быстродействия АЦП на порядок, что делает целесообразным использование ЦПУ в диапазоне 4000—20000 Гц.

Однако для большинства случаев непременным требованием является запитка сетевым напряжением с частотой 50 или 400 Гц.

На каждый период сигнала несущей частоты, как правило, берутся два отсчета: одни на положительном пике, а другой на отрицательном. Значения выборки счнтываются в каждом канале с периодом повторения 10 мс для несущей 50 Гц и 1,25 мс для 400 Гц. Обычно коммутатор осуществляет опрос всех каналов за один полупериод несущей. Это означает, что фактический цифровой сигнал каждого сельсина может быть задержан на время до 10 мс для несущей 50 Гц или до 1,25 мс для 400 Гц. При вращении входного вала со скоростью 10 об/мин такая задержка соответствует угловым погреш-ностям соответственно 0,6 и 0,075°. Погрешность, вызванная последовательным опросом каналов, возрастает, если применяется единственная пара УВХ, а сиг­налы коммутируются в формате СКВТ. Ввиду этого подобные методы выбор­ки приемлемы только для точных измерений положений медленно вращаю­щихся валов [57].

Недостатки многоканального ЦПУ, представленного на рис. 15.1 [3], обусловлены его построением и принципом работы: наличием на входе преоб­разователя многоканального коммутатора, вносящего дополнительные погреш­ности в исходные сигналы, и последовательным по времени преобразованием сигналов СКВТ, которое приводит к появлению динамических ошибок.

Многоканальные коммутаторы строятся на основе МОП- или КМОП-тран-зисторов в интегральном исполнении. Погрешности, вносимые коммутатором в сигнальные напряжения, вызваны несовершенством аналоговых ключей. Эти погрешности определяются как остаточными сопротивлениями открытых клю­чей н конечным входным сопротивлением следующих каскадов, так в токамн утечки и сопротивлениями закрытых ключей. Сопротивления закрытых ключей совместно с выходными сопротивлениями СКВТ включены параллельно датчи-

ку выбранного канала, и токи утечки закрытых ключей вызывают погрешности выходного напряжения выбранного канала. Погрешности, вносимые коммута­тором в синусное и косинусное напряжения СКВТ, в общей случае не равны между собой и возрастают с увеличением числа каналов преобразователя. Эти погрешности приводят к погрешности преобразования угла поворота в код и ограничивают точность преобразователя.

Для циклического преобразователя, определяющего цифровой эквивалент угла через отношение синусного и косинусного выходных сигналов СКВТ, ошибка преобразования составит

где — абсолютная погрешность выходного кода угла;— относительные погрешности коммутаторов соответственно синусного н косинусного напряжений, а — относительная разность между падениями напряженийна них.

Для многоканального ЦПУ, входной коммутатор которого выполнен по схеме рис. 15.1, максимальная погрешность поскольку в сигнальные напряжения вносят погрешности две схемы коммутации, включенные последовательно между датчиком и отсчетной частью.

Значение погрешности можно определить с учетом конкретных данных, например для 16-канального коммутатора на ИМС серии К143. Воспользовав­шись данными, приведенными в [26], получаем относительные погрешности

что дает максимальную ошибку на выходе преобразователя приравную

Таким образом, в таком варианте многоканального преобразователя допол­нительная ошибка за счет коммутации может достигать причем она возрас­тает при увеличении числа каналов.

Недостатком такого построения, как отмечалось выше, является его огра­ниченное быстродействие и как следствие — возрастание динамической ошибки при увеличении числа преобразуемых каналов. Максимальная динамическая ошибка преобразователя

где А—амплитуда изменения угла 8; —частота изменения угла поворотаСКВТ; п —число каналов преобразователя;—время преобразования ка­нала.

Общее время преобразования всех п каналов преобразователя

где— период опорного сигнала.

При увеличения числа каналов общее время преобразования превысят

и максимальная динамическая ошибка

Где —целое число периодов опорного напряжения, необходимое для преобразования всех т каналов (т>п).

Динамические ошибки появляются при преобразовании изменяющихся во времени углов поворота в вызваны конечным быстродействием преобразователя отношения и последовательной его работой. Эта ошибка также возрастает с увеличением числа каналов преобразователя. Недостатка классического мно­гоканального циклического преобразователя угла поворота вала в код, такие как ограниченное быстродействие и точность, увеличивающая сложность прв большом числе каналов, вызывают необходимость применять отдельный пре­образователь угла на каждый канал или группы датчиков, что приводит к зна­чительным аппаратным затратам.

В том случае, когда производится преобразование сигналов многих дат­чиков а все они обладают большими угловыми скоростями или их угловое положение должно быть измерено с высокой точностью, обычно используют в каждом канале отсчетную часть следящего типа, а в многоканальную систему подают цифровые выходы преобразователя. Выходные регистры всех преобра­зователей, как показано на рис. 15.2, подсоединены к общей магистрали дан­ных. Когда команда Разрешено получена, ключи в выбранном регистре замы­каются и подсоединяют выход к этой магистрали [3]. Эта система наиболее быстродействующая и точная, но она содержит узлы и элементы с высокой стоимостью и требует больших затрат. Однако для нее исключаются некоторые из проблем более простых систем, связанные с необходимостью передача кван­тованных сигналов постоянного тока к общему циклическому преобразователю на значительные расстояния.

Эти проблемы определяются в первую очередь шумами систем передаче постоянного тока. При методе одновременной выборки имеются, кроме того, в иные проблемы, связанные с несущей, — все СКВТ здесь должны питаться от одного и того же источника. При длинных линиях передачи могут возникать квадратурные составляющие и высшие гармоники, порождающие соответствую­щие погрешности.

Поэтому выбор структуры построения многоканального преобразователь­ного комплекса для конкретного применения требует тщательного анализа всех

факторов взаимодействия первичного датчика с отсчетной частью я ее —с по­требителем выходной информации ЦПУ.

Следует отметить, что в этой плане определенные преимущества для бы­стродействующих многоканальных систем открываются при использования преобразователя с переменной структурой (см. рис. 14.7), сочетающего поло­жительные свойства циклического и следящего ЦПУ. Как уже отмечалось, та­кой ЦПУ может использоваться в качестве многоканального преобразователя, что ведет к существенному упрощению отечетной части по сравнению с вариан­том, представленным на рис. 15.2. Важно отметить, что динамическая ошибка преобразования остается на прежнем уровне для достаточно большого числа каналов.

В том случае, когда число первичных преобразователей в системе прибли­жается к 100, особое значение преобретает построение многоканальных цикли­ческих ЦПУ, в которых повышение точности и быстродействия можно получить, производя параллельное преобразовавие сигналов многих СКВТ в код угла. Поэтому представляет интерес подробное рассмотрение особенностей построе­ния и работы такого ЦПУ, в котором высокие точностные и динамические показатели достигаются за счет использования единого для всех каналов функ­ционального циклического преобразователя кода, реализованного, например, на БИС ПЗУ с тангеисной прошивкой.