Рис. 5.15. Компаратор для сравнения разнополярных сигналов (а) и временнûе диаграммы (б)
ных на рис. 5.14, а, не может быть выше 3,7 В (когда Uвых > 0 и открыт диод VD1) и ниже –0,7 В (когда Uвых < 0 и открыт диод VD2).
На рис. 5.15, а приведена схема компаратора для сравнения разнополярных напряжений, которые подаются на один инвертирующий вход. Потенциал инвертирующего входа U(+) = 0. Если R1 = R2, то U(–) = 0 при равенстве абсолютных значений Uх и Uоп . В тот момент, когда они сравняются, U(–) станет равным U(+) и идеальный компаратор переключится с одного состояния в другое (рис 5.15, б).
5.4. Устройства сопряжения микропроцессорных систем с объектами
5.4.1. Аналого-цифровые преобразователи
Применение микропроцессоров в качестве управляющих и диагностирующих устройств связано с использованием большого количества самых разнообразных датчиков. Но практически все выходные сигналы датчиков имеют аналоговую форму. Чтобы микропроцессор мог воспринимать эту информацию, ее необходимо преобразовать в цифровой сигнал. Эту операцию выполняют специальные преобразователи, называемые аналого-цифровы- ми преобразователями (АЦП). Микропроцессор, получив сигнал от АЦП, обрабатывает его и формирует управляющие сигналы. Последние принимаются интерфейсными узлами, которые преоб-
223
разуют и усиливают их до уровня, необходимого для управления реальными устройствами.
В зависимости от особенностей системы (отдаленность датчиков и исполнителей от МП) АЦП могут входить в состав интерфейса или относиться к внешним устройствам. АЦП выполняют на дискретных элементах и в интегральном исполнении.
Физически процесс аналогоцифрового преобразования состоит из квантования и копирования сигнала. Процесс квантования аналогового сигнала выполняется и по уровню и по времени (рис. 5.16). Но процесс квантования приводит к возникновению ошибок, максимальное
значение которых равно ±1/2 единицы младшего разряда преобразователя. На рис. 5.16, а приведена характеристика преобразования, а на рис. 5.16, б — график ошибки квантования трехразрядного АЦП для нормированного входного сигнала. Предположим, что какой-то датчик вырабатывает выходное напряжение Uвых , изменяющееся произвольным образом (рис. 5.16, а — штриховая линия). Весь диапазон возможных значений сигнала датчика разбивают на уровни. Расстояние между уровнями берется одинаковым и называется шагом квантования Q. Каждому уровню присваивается двоичный код. Число уровней берется равным 2n , где n — разрядность кода. В нашем случае мы получили восемь уровней, и каждый уровень соответствует определенному значению сигнала. Чем больше в преобразователе уровней, тем меньше шаг квантования и тем точнее преобразование сигнала, снимаемого с датчика.
Погрешности, возникающие в процессе преобразования, подразделяются на: инструментальные, обусловленные несовершенством отдельных узлов преобразователя и влиянием различных дестабилизирующих факторов; статические и динамические, которые
224
характеризуются постоянными отклонениями при квантовании и временем преобразования. Для уменьшения динамической погрешности АЦП используют устройства выборки и хранения, включаемые между источником аналогового сигнала и входом АЦП.
Работа устройств выборки и хранения (УВХ) основана на принципе запоминания и фиксации мгновенного значения входного сигнала на время, необходимое для выполнения АЦП операции преобразования. Такое устройство имеет два устойчивых режима работы: выборки и хранения. В режиме выборки (слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить (запоминать) на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала. Так как УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, точно определяемый командой хранения, существенно снижаются помехи и время между моментом фиксации мгновенного значения входного сигнала и моментом получения его цифрового эквивалента, называемое еще апертурным временем. Основу УВХ составляют: операционные усилители, выполняющие буферную роль между входом АЦП и запоминающим элементом; элементы, работающие в ключевом режиме и обеспечивающие переход схемы в режим хранения, и наоборот; аналоговые запоминающие элементы и схемы управления ключами. Серийно выпускаются УВХ в виде интегральной микросхемы типа КР1100CK2 .
Рассмотрим основные принципы построения АЦП, нашедшие широкое распространение в устройствах автоматического управления тиристорными преобразователями и подвижным составом. Это преобразователи напряжения в частоту; сопротивления и угла поворота; температуры и давления в сигналы, подлежащие обработке в микроЭВМ.
Все АЦП можно разделить на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. К последовательнымАЦПотносятся:
•интегрирующие АЦП, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного сигнала;
•АЦП с последовательным сравнением;
•АЦП с двоично-взвешенным приближением;
•АЦП с промежуточным преобразованием входного сигнала;
•АЦП без промежуточного преобразования.
225
КпараллельнымАЦПотносятся устройства, выполненные на компараторах, отличающихся друг от другауровнемсрабатывания.
Последовательные АЦП с единичным приближением. Преобразователь этого типа содержит (рис. 5.17, а) генератор импульсов (ГИ), счетчик (СТ), на который поступает импульс при срабатывании триггера от сигнала «Запуск». Так как счетчик соединен с цифро-аналоговым преобразователем, то напряжение на выходе последнего Uцап увеличивается ступенчато (рис. 5.17, б). Процесс преобразования заканчивается, когда напряжение Uцап становится равным входному Uвх иначинается процесссчитывания со счетчика выходного кода N,
представляющего собой цифровой эквивалент входного напряжения в момент окончания преобразования. При повторной подаче импульса «Запуск» на триггер и разрешающего сигнала с компаратора процесс преобразования повторяется. Время преобразования АЦП данного типа является величиной переменной и зависит от уровня входного напряжения. Максимальное время преобразования, соответствующее максимальному входному напряжению:
t р max = (2n −1)∆tсч ,
где n — число разрядов; ∆t = 1 
fсч — период следования счетных импульсов, а fcч — частота счетных импульсов.
Число разрядов определяется выбранным счетчиком, а время преобразования — частотой счетных импульсов. Подставляя в формулу необходимые данные, можно рассчитать время преобразования. Минимальное время определяется исходя из минималь-
ного периода импульсов, который определяется по формуле
∆t min = tсч + tцап + tт + tк + tл,
226
где tсч — максимальное время переходного процесса в счетчике; tцап — время установления выходного сигнала ЦАП; tт — время срабатывания управляющего триггера; tк, tл — время включения компаратора и срабатывания логического элемента И соответственно.
Последовательные АЦП с двоично-взвешенным приближением. Преобразователи этого типа (рис. 5.18, а) содержат регистры последовательного сравнения, ЦАП и компаратор К, сравнивающий входное напряжение с аналоговым на выходе ЦАП. Сравне-
Рис. 5.18. Схема последовательного АЦП с двоично-взвешенным приближением (а) и диаграмма его работы (б)
227
ние производится последовательно начиная с самого старшего разряда регистра сравнения, код которого и преобразуется в аналоговое напряжение в ЦАП. Работа АЦП заключается в следующем: на вход компаратора подаются два напряжения: входное Uвх и от ЦАП — Uцап . При сравнении этих двух напряжений компаратор вырабатывает управляющий сигнал и подает его на логические элементы И, управляющие работой ЦАП. При поступлении импульса запуска триггер старшего разряда Тn–1 устанавливается в состояние «1», а все остальные — в состояние «0». В начале преобразования компаратор сравнивает входное напряжение Uвх с эталонным Uэ , поступающим из ЦАП. Если Uвх > Uэ, то на выходе компаратора отсутствует импульс, и в старшем разряде ЦАП (в триггере Тn–1) сохранится «0» (рис. 5.18, б). При Uвх < Uэ компаратор выдает импульс, который, пройдя через элемент И, устанавливает триггер Tn–1 в состояние «0». Одновременно происходит сдвиг в регистре RG и «1» перейдет в (n – 1)-й разряд, что обеспечит подачу эталонного напряжения Uэ с ЦАП на компаратор. Аналогично выполняется работа АЦП и во всех остальных тактах. Таким образом, за «n» тактов преобразуемое напряжение Uвх уравновешивается суммой эталонных напряжений, снимаемых с ЦАП. В итоге за один такт преобразования шестиразрядным АЦП на его выходе получили код 011010, соответствующий входному напряжению.
Данные АЦП обладают высоким быстродействием и пригодны для построения многоразрядных преобразователей, благодаря чему они находят широкое применение в автоматизированных системах. Серийно АЦП выпускаются в виде интегральных микросхем: типа К572ПВ1 (двенадцатиразрядные), типа К1107ПВ1 (шестиразрядные преобразователи) и др.
Параллельные АЦП. Преобразователи данного типа осуществляют одновременное квантование сигнала набором компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. Пороговые уровникомпараторов(рис, 5.19) устанавливают резистивным делителем, подключенным к источнику опорного напряжения Uоп в соответствии со шкалой квантования. Число уровней квантования, а следовательно, и число компараторов определяется выбранным шагом квантования и значением входного сигнала. Каждый компаратор срабатываетприопределенном напряжении, выдаваяприэтомнакодирующее устройство соответствующий код. Если, к примеру, вход-
228
ной сигнал находится от 2,5 до 3,5 ∆U, где ∆U — шаг квантования, то все компараторы К1...К4 устанавливаются в состояние логической «1», а остальные в состояние логического «0». Для преобразования унитарного кода в двоичный используется кодирующее устройство.
Надежность работы АЦП, его быстродействие и точность зависят от того, как подобраны и согласованы выходы и входы компараторов и кодирующего устройства. Для улучшения работы АЦП их дополняют устройствами стробирования, буферными регистрами или элементами постоянной памяти (рис. 5.20). Стробируемый сигнал должен поступать одновременно на все компараторы. Во избежание ошибок, в порядке срабатывания компараторов,
АЦП дополняется логическими
устройствами (ЛУ), которые вы- Рис. 5.19. Схема параллельного АЦП
деляют верхний срабатывающий компаратор. В качестве кодирующего устройства используется
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), выполненное на диодной матрице и работающее только на считывание. В рассматриваемой схеме ЛУ преобразует прямые и инверсные выходные сигналы компараторов с памятью так, что логическая «1» остается только на одной шине, соответствующей высшему номеру сработавшего компаратора. Это дает возможность считывать данные из ПЗУ, которое имеет все возможные для данного АЦП кодовые комбинации. Для нормальной работы АЦП необходимо, чтобы за время считывания результатов с выходов компараторов входной сигнал изменялся не более, чем на значение шага квантования ∆U.
229
Рис. 5.20. Схема параллельного АЦП с элементами стабилизации
Параллельные АЦП обладают самым высоким быстродействием по сравнению с другими типами АЦП, но содержат большое число компараторов, что сдерживает разработку многоразрядных схем преобразователей. Кроме того, точность преобразования ограничивается точностью и стабильностью компараторов и резистивных делителей. По данному принципу преобразования
230
построены серийно выпускаемые АЦП в интегральном исполнении типа К1107ПВ1 со временем преобразования не более 0,1 мкс.
АЦП двухтактного интегрирования. Недостаток всех рассмотренных АЦП — их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность (как правило, 8...10 разрядов). Этого недостатка лишены АЦП интегрирующего типа. Наиболее распространенным вариантом такого преобразователя является АЦП двойного интегрирования (рис. 5.21, а). Такой преобразователь имеет хорошую линейную характеристику, малые шумы, высокую помехозащищенность и низкую стоимость. Полный рабочий цикл состоит из двух тактов: первый такт интегриро-
Рис. 5.21. Схема АЦП двухтактного интегрирования (а) и диаграмма его работы (б)
231