Устройства ввода - вывода в системе датчики - ЭВМ - исполнительные устройства

 

Большинство датчиков и исполнительных устройств автоматических систем работает с аналоговыми сигналами. Для ввода таких сигналов в ЭВМ их необходимо преобразовать в цифровую форму, т. е. дискретизировать по уровню и во времени. Эту задачу решают аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Обратную задачу, т. е. превращение квантованного (цифрового) сигнала в непрерывный, решают цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). АЦП и ЦАП являются основными устройствами ввода - вывода информации в цифровых системах, предназначенных для обработки аналоговой информации или управления каким-либо технологическим процессом.

К важнейшим признакам, характеризующим эти устройства, относятся:

- вид аналоговой величины, являющейся входной для АЦП и выходной для ЦАП (напряжение и ток, временной интервал, фаза и частота переменного тока, угловое и линейное перемещение, освещенность, давление, температура и т. п.). Наибольшее распространение получили преобразователи, в которых входной (выходной) аналоговой величиной является напряжение. Это связано с тем, что большинство аналоговых величин сравнительно легко преобразуется в напряжение;

- разрешающая способность и точность преобразования. Количественная связь между аналоговой величиной А и соответствующим ей числом X имеет вид Х=(А/DА) ±dХ, где DА — шаг квантования (т. е. аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода), а dХ — погрешность преобразования. При обратном преобразовании А=Х*DА ±dХ. Таким образом, разрешающая способность определяется количеством двоичных разрядов кода или возможным количеством уровней аналогового сигнала. Точность определяется наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от цифрового (или наоборот);

- быстродействие, определяемое интервалом времени от момента подачи сигнала опроса (запуска) до момента достижения выходным сигналом установившегося значения. Быстродействие очень сильно зависит от алгоритма преобразования и разрядности преобразователя.

В любом преобразователе выделяют цифровую и аналоговую части. В цифровой части производятся кодирование и декодирование цифровых сигналов, их запоминание, счет, цифровое компарирование (сравнение), выработка логических сигналов управления. В аналоговой части преобразователя производятся операции усиления, сравнения, коммутации, сложения и вычитания аналоговых сигналов. Преобразователи обычно являются функционально и конструктивно завершенными самостоятельными устройствами, собранными на нескольких цифровых и аналоговых микросхемах.

 

Цифро-аналоговые преобразователи

 

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) строятся на основе представления любого двоичного числа в виде суммы степеней числа два.

При изготовлении интегральных ЦАП наибольшие трудности представляет реализация высокоточных резисторов с сопротивлениями. Для устранения этих затруднений в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени обычно задают последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы типа R—2R. При двоичном кодировании эта матрица представляет собой многозвенный делитель с коэффициентом деления в каждом звене, равном сопротивлению нагрузки.

Помимо своего прямого назначения — преобразования цифрового кода в соответствующий ему уровень напряжения — ЦАП широко используется как генератор произвольных периодических функций. При этом простыми средствами удается сформировать достаточно сложные функции с хорошей точностью.

 

Аналого-цифровые преобразователи

 

Аналого-цифровые преобразователи по способу преобразования подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

В последовательных АЦП преобразование аналоговой величины в цифровой код идет ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому значению. Если максимальное напряжение преобразуется в число X, то для его преобразования необходимо X шагов. Поэтому последовательные АЦП являются самыми медленными, но и наиболее простыми по реализации.

В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с X опорными напряжениями. При этом результат получают за один шаг, но для этого необходимы большие аппаратурные затраты (Х-компараторов). Подобные АЦП обладают максимальным быстродействием и поэтому применяются для анализа быстроменяющихся сигналов. Недостатком параллельных АЦП является резкое увеличение аппаратурных затрат при повышении разрешающей способности.

Значительно экономичнее АЦП последовательного типа. За счет увеличения времени преобразования может быть получена высокая точность даже при малых аппаратурных затратах. Существует много разновидностей последовательных АЦП, но все они отличаются один от другого только способом формирования временного интервала.

 

Роботизированные технологические комплексы

 

Вспомогательное оборудование промышленных робототехнических систем