Главная Физические и химические датчики



Когда датчики и микро-ЭВМ расположены на значительном расстоянии друг от друга, удобен способ соединения, при котором аналоговое напряжение преобразуется с помощью-преобразователя «напряжение - частота» в соответствующее изменение частоты несущей ил1 импульсов. Выбрав для передачи сигналов различных датчиков разные частоты, можно уменьшить число сигнальных жил в соединительном кабеле между датчиками и микро-ЭВМ, К тому же при передаче цифровыми сигналами с изменяемой частотой повышается помехоустойчивость системы.

Аналого-цифровые преобразователи и преобразователи «напряжение - частота» сравнительно дороги, поэтому при наличии датчиков с изменяемым выходным сопротивлением удобнее для преобразования в частотно-изменяемый сигнал использовать RC- или LC-генератор. Введение частотно-изменяемых сигналов в микро-ЭВМ осуществляется одним из двух способов. При первом определяется частота сигнала с помощью счетчика. При втором подсчет частоты принимаемого сигнала делает сама ЭВМ благодаря возможностям своей рабочей программы и без привлечения дополнительной аппаратуры. Разумеется, при введении частотно-изменяемых сигналов от датчиков непосредственно в микро-ЭВМ увеличивается общее время, необходимое на обработку.

13. Аналого-цифровые преобразователи

Как уже отмечалось, при введении в микро-ЭВМ сигналов от аналоговых датчиков чаще всего используются аналого-цифровые преобразователи. Рассмотрим их подробнее.

Принципы работы. Существует несколько способов аналого-цифрового преобразования, но самые распространенные среди них два: метод с интегрированием и метод последовательных сравнений. Продолжительность преобразования аналогового сигнала в восьмиразрядный код методом с интегрированием обычно составляет 1-20 мс, а методом последовательных сравнений 10- 30 мкс.

Основные критерии для выбора необходимого АЦП- время преобразования, точность и стоимость преобразователя. Преобразователи, работающие по методу с интегрированием, имеют малую стоимость и превосходную точность, но отличаются относительно большой продол-

Вгельностью преобразования. Метод последовательных

Ивнений обеспечивает высокую скорость преобразова-Щк, но стоимость преобразователей, работающих по Жму принципу, резко растет по мере увеличения необходимой точности преобразования.

АЦП с интегрированием. При аналогово-цифровом преобразовании с интегрированием могут использоваться несколько вариантов: с одним, двумя и более наклонами интегрирования, но в основе всё они одинаковы. Наиболее широко используется метод с двумя наклонами интегрирования (с двойным интегрированием). Такой преобразователь имеет хорошую линейность характеристики, малые шумы и низкую стоимость. Его рабочий цикл содержит три периода (рис. 29): коррекции нуля (ФО, интегрирования входного сигнала (Фд) и интегрирования опорного напряжения (Фз)-

Сначала, в течение периода Фь производится автоматическая коррекция сигнала ошибки путем регулировки напряжения смещения. При этом вход преобразователя замыкается на корпус, организуется петля обратной связи и информация об ошибке запоминается на конденсаторе Сг. В следующем периоде (Ф2) производится интегрирование входного сигнала и одновременно отсчет некоторого постоянного числа тактовых импульсов. В конце этого периода на выходе интегратора получается напряжение, пропорциональное значению входного сигнала. В последнем периоде (Фз) на вход интегратора вместо исходного сигнала подается опорное напряжение противоположной полярности. При этом выходное напряжение интегратора начинает падать. Одновременно производится счет тактовых импульсов, и так вплоть до выравнивания напряжения с уровнем сравнения компаратора. Цифровой эквивалент входного сигнала определяется следующим образом. Если Т2-длительность первого интервала интегрирования (период Фг), а Гз-длительность второго интервала интегрирования (период Фз), измеряемые путем подсчета тактовых импульсов,то цифровое значение входного сигнала Ux - {Ts/T2)Uon.

При способе преобразования с двойным интегрированием точность преобразования не зависит от емкости •шмденсатора интегратора и частоты тактового гекера-В)а при условии их стабильности в течение короткого РНрриода интегрирования, а зависит лишь от стабильности опорного напряжения. Еще одним достоинством это-



Генератор опорного напряжения

I-1 I I Компаратор

гпятпл I I- I

Интегратор

Г

Схема автоматической коррекции нуля

Тактовый генератор

Управляющая логика

Счетчик

Выходной цифровой сигнал


Г = const T-i = const

Такты (положение переключателей)

Рис. 29. АЦП С двойным интегрированием: а - схема; 6 - временная диаграмма

го способа является чрезвычайно низкий уровень шумов. Недостаток метода в сравнительно большой продолжительности преобразования.

AIXU с последовательным сравнением. Схема АЦП, работающего по способу преобразования с последовательным сравнением, или, иначе, по принципу поразрядного уравновешивания, представлена на рис. 30. Преобразователь этого типа содержит регистр последов:-тельного сравнения, цифро-аналоговый преобразователь (ПАП) и компаратор, сравнивающий входное напряжение с аналоговым напряжением на выходе ЦАП. Сравнение производится последовательно, начиная с самого 66


Регистр последовательного сравнения

Выходной регистр

Генератор опорного напряжения

Тактовый генератор

Выходной цифровой сигнал

i о 1 10 10 I i(MSB) (LSB)

Содержимое t Сбрск Старт регистра Конеа

сравнения преобра-* зования

Рнс. 30. АЦП с последовательным сравнение\л а - схема; б - временная диаграмма

MSB - самый старший;

LbB - самый младший разряд

старшего разряда регистра сравнения, код которого и преобразуется в аналоговое напряжение с помощью ЦАП. На каждом шаге сравнения устанавливается значение очередного разряда. Начальное значение каждого обрабатываемого разряда устанавливается равным логической 1. Если входное напряжение от датчика меньше выходного напряжения ЦАП, логическая 1 обрабатываемого разряда регистра сохраняется. Если же входное напряжение больше напряжения на выходе ЦАП, то в текущем разряде регистра устанавливается значение логического 0. Затем производится аналогичная обработка каждого последующего разряда в регистре. Выходной цифровой код после обработки всех разрядов регистра снимается непосредственно с этого же регистра.

Преимуществом АЦП с последовательным сравнением является постоянство интервала преобразования и независимость его от входного аналогового напряжения. Однако преобразователь такого типа не свободен и ог



недостатков. Во-первых, имеется целый ряд факто.оз влияющих на погрешность преобразования. В их ч! погрешности ЦАП, компаратора и нестабильность опор, ного напряжения. Во-вторых, достижение высокой точ-ности сопряжено с удорожанием преобразователя. Обыц. но АЦП с последовательным сравнением используются там, где требуются относительно высокие скорости пре-образования.

Основные характеристики. Поскольку каладый АЦП имеет свои особенности, обусловленные принципом пре-образования, при выборе того или иного типа преобра-зователя необходимо исходить из цели применения с учетом следующих наиболее важных характеристик этих устройств. I

Разрешающая способность. Под разрешающей спо-собностью обычно понимается минимальное значение аналогового сигнала, которое еще может различаться преобразователем. Разрешающая способность п-разряд-ного АЦП равна частному от деления на 2" диапазона входного аналогового напряжения. В некоторых случаях разрешающая способность определяется в процентах диапазона входного напряжения.

Точность. В процессе квантования входного сигнала по уровню происходит округление его до ближайшего цифрового значения в пределах самого младшего разр да цифрового кода, т.е. возникает погрешность квантования, которая, как явствует из рнс. 31, находится в пределах ±0,5 значения самого младшего разряда. Это принципиальная погрешность. В реальных ] АЦП кроме этой погрешности существуют и другие.

Погрешность нелинейной характеристики. Нел иней ность - это отклонение; передаточной характери..-тики преобразователя от идеальной прямой линии. При этом возникают два рода погрешностей, связанных с нелинейностьк

7(1111 6(110) 5(101) 4(100) 3(011) 2(010) 1 (001) о (ООО)

гЧ ! !о

III

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6

I I I I (

Рис. 31. Погрешность квантования в АЦП

характеристики: 1) линейная погрешность, отражающая общую кривизну передаточной характеристики; 2) линейная погрешность (дифференциальная), обусловленная искривлениями характеристики на отдельных ее участках. Линейная погрешность определяется максимальным отклонением передаточной функции преобразователя от прямой линии, соединяющей оба конца интервала преобразования. Эта погрешность измеряется в процентах диапазона преобразования или в долях самого младшего разряда. Дифференциальная линейная погрешность - это отклонение от указанной выше прямой на произвольных участках преобразования за пределы одного бита. При дифференциальной линейной погрешности более ±1 самого младшего разряда возникают ошибочные коды, а в выходном цифровом сигнале происходит скачок, т. е. нарушается монотонность преобразования. Природа возникновения упомянутых погрешностей поясняется на рис. 32.

Погрешность смещения измеряется значе-ем входного сигнала, необходимым для обеспечения равенства выходного цифрового кода нулю.

Погрешность усиления характеризуется раз-шцей в наклоне реальной и идеальной передаточных 1рактеристик преобразования. Температурная погрешность накладывает-на все другие выше перечисленные погрешности, т. е. л температуры зависит и дифференциальная линейная югрешность, и погрешность смещения, и погрешность ;иления и др.



Рис. 32. Дифференциальная линейная погрешность АЦП и немонотонность характеристики преобразования

Рис. 33. Временная апертура и составляюш,ая погрешности



0 1 2 3 4 5 6 7 8 [9] 10 11 12 13 14 15 16 17


0.0078