Устройство логического управления второго уровня на базе МПК (УЛУ2-ЭВМ)

УЛУ2-ЭВМ выполняют функцию автоматизированного сбора и первичной обработки информации, используемой для контроля над технологическими процессами, функцию выдачи воздействий в дискретной форме, а также функцию обмена данными между терминальными субкомплексами и ВК. Кроме того устройства УЛУ2-ЭВМ применяются для функционально-группового управления технологическими процессами. УЛУ2-ЭВМ обеспечивают выполнение следующих функций: автоматическую загрузку программ по каналам связи от СВК при включении питания; обмен данными с СВК через концентратор по интерфейсу ИУС-2К; ввод и первичную обработку аналоговых сигналов; ввод и первичную обработку дискретных сигналов; выработку по трем каналам мажорированых по схеме 2 из 3-х управляющих дискретных сигналов; техническое диагностирование по тестам;системный контроль работоспособности и правильности функционирования.

УЛУ2-ЭВМ обеспечивают следующие метрологические характеристики: предел допустимого значения основной приведенной погрешности при доверительной вероятности Р = 0,95 не превышает: при вводе токовых сигналов 0…5мА – 0,6 %, при вводе сигналов от термопар – 0,8 %, при вводе сигналов от датчиков термосопротивления – 0,8 %; дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды относительно 20±2 ^оС в диапазоне температур от плюс 5 до плюс 40 ^оС не превышает половины значения основной допустимой погрешности на каждые 10 ^оС; дополнительная погрешность, вызванная изменением относительной влажности окружающего воздуха в диапазоне от 40…90 %, не превышает половины значения основной допустимой погрешности; дополнительная погрешность, вызванная вибрацией частотой 50 Гц и амплитудой 0,1 мм, не превышает четверти значения основной допустимой погрешности; дополнительная погрешность, вызванная воздействием помехи общего вида амплитудой 100 В или нормального вида амплитудой 10 В и частотой 50 Гц, не превышает значения основной допустимой погрешности; погрешность программной линеаризации характеристик датчиков термосопротивления и термопар не превышает 0,1 %.

АЦП и ЦАП. Их МХ.

Основной элемент любого устройства ввода в ЭВМ аналоговых сигналов — аналого-цифровые преобразователи (АЦП). В состав АЦП входят следующие узлы: узел эталонных величин, узел сравнения и управляющий цифровой автомат. Аналоговый сигнал с датчика поступает на вход сравнивающего узла АЦП. На второй вход сравнивающего узла в определенной последовательности подаются эталонные величины, вырабатываемые узлом эталонных величин. Сравнивающий узел выдает последовательность кодовых комбинаций, соответствующих входному аналоговому сигналу. Преобразование аналоговой величины в цифровой код является измерительной процедурой. При этом происходит замена непрерывной величины в ближайшую фиксированную, образованную по определенному алгоритму с помощью меры, и считывание кода, соответствующего этому фиксированному значению. Выходной сигнал АЦП является дискретным и может быть представлен в следующей форме: D = a₁ 2^-1 + а₂×2^-2 + ... + а_п×2^-п = (U_вх / U_оп) + е, где а - значения отдельных разрядов (0 или 1); п - число разрядов (бит) АЦП; и_ВХ - входное напряжение АЦП; U_on - опорное напряжение; е - погрешность квантования. Разрядность АЦП выбирают таким образом, чтобы погрешность квантования была меньше погрешности измерения входного аналогового напряжения. По принципу действия и алгоритму функционирования АЦП делятся на следующие типы: АЦП считывания, АЦП поразрядного типа, АЦП интегрирующего типа. Основные методы аналого-цифрового преобразования: метод непосредственного считывания; метод поразрядного уравновешивания; интегрирующий метод. Метод непосредственного считывания. Этот метод являющийся примером параллельного преобразования, характеризуется тем, что значения отдельных разрядов а_i определяются одновременно. Этот метод является самым быстрым. В основе метода лежит принцип шкалы, аналогичный тому, который используется при считывании измерительной информации со стрелочного прибора. Роль шкалы в АЦП выполняет набор компараторов (Км), каждый из которых сравнивает входной сигнал со своим уровнем квантования. Состояния компараторов преобразуются шифратором (Ш) в выходной код. Метод последовательного преобразования или поразрядного уравновешивания реализуется устройством с цифровой обратной связью . На вход компаратора Кмпоступает входное напряжение U_BX и сигнал сравнения U_ср, с выхода ЦАП. Сравнивающее напряжение повышается ступенчато. Число ступенек подсчитывается до тех пор, пока оба напряжения не сравняются. Двоичный счетчик С выполняет роль цифрового устройства авторегулирования, уравновешивающего выходное напряжение ЦАПс входным измеряемым напряжением. При уравнивании напряжений на выходе счетчика (в коде ЦАП) устанавливается выходной код АЦП, соответствующий входному напряжению. Алгоритм поразрядного уравновешивания (последовательного приближения) заключается в следующем. Все входные сигналы ЦАП по очереди, начиная со старшего, устанавливаются в положение 1. Если при этом выход компаратора переходит в положение 0, то соответствующий разряд также устанавливается в 0. Этот алгоритм реализуется аппаратно регистром поразрядного уравновешивания, который выпускается в виде отдельной микросхемы.В противоположность параллельному преобразованию АЦП поразрядного уравновешивания является медленным. Интегрирующее АЦП составляет особую группу преобразователей последовательного действия. Метод интегрирования не отличается большим быстродействием, но позволяет реализовать высокую чувствительность, малую погрешность и хорошую помехозащищенность. Этот метод можно реализовать в дискретной форме в АЦП описанных ранее типов с помощью микропроцессора, но наилучшие результаты по точности и чувствительности дает сочетание аналоговых и цифровых методов интегрирования. Метод двойного интегрирования. В АЦП последовательно интегрируется опорное и входное напряжение. Аналоговое интегрирование производится на конденсаторе, который заряжается от источника тока, пропорционального входному напряжению. В схему АЦП также входят аналоговые переключатели (П1, П2 и ПЗ), источник опорного напряжения (ИОН), компаратор (К), счетчик импульсов (С), тактовый генератор (Г) и управляющий программный аппарат (ПА). Опорное U_oп и входное U_BX напряжения интегрируются в противоположных полярностях. Интегрирование опорного напряжения производится в течение заданного промежутка времени Т₁, измеряемого до перехода напряжения на конденсаторе через нуль. Число импульсов генератора во втором такте Т₂, подсчитанное счетчиком, пропорционально входному напряжению, которое вычисляется по формуле U_вх = U_оп (N₂/N₁)_, где N₁ и N₂ — числа импульсов, подсчитанных счетчиком соответственно в первом и втором тактах. Точность метода двойного интегрирования определяется точностью задания опорного напряжения, быстродействием элементов схемы и частотой генератора. Этот метод реализован во многих цифровых вольтметрах, имеющих погрешность до 0,005 % и порог чувствительности 1 мкВ. ЦАП. Преобразование цифровых кодов, поступающих на ЭВМ, в пропорциональные аналоговые сигналы осуществляется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) или преобразователей типа код—аналог (ПКА). В ЭВМ вводятся также сигналы дискретных состояний объекта, поступающие с датчиков-сигнализаторов. Существуют следующие виды ввода дискретных сигналов: двухпозиционные, кодированные и числоимпульсные. ЦАП можно рассматривать как потенциометр с цифровым управлением, задающий аналоговые ток или напряжение, являющиеся частью полной шкалы. Базовая схема ЦАП состоит из источника опорного напряжения, в качестве которого обычно используется температурно-стабилизированный стабилитрон, матрицы двоично-весовых прецизионных резисторов и набора электронных ключей-коммутаторов. Применение матрицы типа R-2R является эффективным средством для уменьшения числа номиналов используемых сопротивлений. Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом N разрядов.Абсолютное значение минимального выходного кванта определяется как максимальным значением (2^N – 1) входного кода, так и максимальным выходным напряжением ЦАП (напряжением шкалы). Наличие погрешностей в узлах ЦАП и шумов приводит к отличию реального значения разрешающей способности от теоретического значения. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Абсолютная погрешность представляет собой отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального. Абсолютная погрешность обычно измеряется в единицах младшего разряда (ЕМР). Нелинейность прибора характеризует идентичность минимальных приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и определяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии, проведенной через нуль и точку максимального значения выходного сигнала. Нелинейность не должна выходить за пределы 0,5 ЕМР. Метрологические характеристики АЦП и ЦАП. Система метрологических параметров преобразователей, отражающая особенности их построения и функционирования объединяет несколько десятков параметров, важнейшими из которых являются: число разрядов N – количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может воспринимать ЦАП или вырабатывать АЦП; абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения входного для АЦП и выходного для ЦАП напряжения от номинального значения, соответствующего конечной точке функции преобразования (часто эта погрешность называется мультипликативной); дифференциальная нелинейность – отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих двум соседним кодам, от значения ЕМР; время установления выходного напряжения – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное аналоговое напряжение войдет в зону шириной в одну ЕМР, симметрично расположенную относительно установившегося значения; время преобразования – интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.