Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

Преобразователи электрических сигналов — вспомогательные ус­тройства систем управления, предназначенные для согласования элементов системы управления без изменения количества инфор­мации, содержащегося в преобразуемом сигнале. Преобразователь переводит сигнал постоянного тока в переменный (модулятор) и обратно (демодулятор), масштабирует сигнал (усилитель).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет преоб­разование аналоговых, способных непрерывно меняться по уров­ню электрических сигналов вида U{t) в цифровую форму — пос­ледовательность двоичных кодов X_і выдаваемых на выход через заданные промежутки времени. Например, выходное напряжение тензометрического неравновесного моста предварительно усили­вается, фильтруется и преобразуется в АЦП в форму, удобную для ввода в управляющую ЭВМ.

По сигналам от таймера, приходящим на микросхему АЦП через заданные промежутки времени Δt, АЦП считывает входное аналоговое напряжение и кодирует его совокупностью двоичных разрядов или битов — двоичным кодом, т. е. происходит дискре­тизация сигнала по времени (рис. 4.10, а, б).

Наиболее распространены 12-разрядные АЦП, преобразующие напряжение в диапазоне от —5,12 до +5,12 В в 12-битовое дво­ичное число. Двенадцать битов позволяют кодировать натураль­ные числа в интервале от 0 до 4095 (если все биты равны 0, то число равно 0, если все биты равны 1, то число равно 4095) или целые числа со знаком от —2048 до +2047. Диапазон напряжений + 5,12 В разбивается на 4096 интервалов, каждому из которых ставится в соответствие целое число. Входное напряжение округ­ляется до ближайшего из 4096 уровней — середин интервалов, и в качестве выходного сигнала выдается целый код этого уровня (рис. 4.10, в).

в

Рис. 4.10. Дискретизация сигнала в АЦП

Чувствительность АЦП (минимальное приращение входного сигнала, вызывающее изменение выходного сигнала) будет равна величине интервала разбиения и составит 10,24 В/4096 = 2,5 мВ.

Возможна работа АЦП по принципу округления входного на­пряжения до ближайшего снизу уровня, когда чувствительность остается той же, но добавляется систематическая погрешность сдвига нуля вниз на половину интервала, т.е. на 1,25 мВ.

Время преобразования или быстродействие АЦП — это интервал времени от начала преобразования входного напряжения до появле­ния на выходе АЦП (выходном регистре, состоящем из 12 триггеров и доступном для чтения другим микросхемам) соответствующего кода. Обратная величина составляет максимальную теоретическую частоту преобразования данного АЦП.

Обычные, широко распространенные АЦП имеют время преоб­разования около 2 мкс (от 1 до 10 икс) и частоту преобразования около 500 кГц, но выпускаются и АЦП с частотой преобразования до 500 МГц. Реальная частота оцифровки аналогового сигнала мень­ше теоретической в 2 и более раз вследствие потерь времени на пе­редачу сигнала на микросхему АЦП, запоминание кода с АЦП в выходном регистре и т.д.

Точность аналогового преобразования определяется не только разрядностью АЦП, но и реальным диапазоном изменения входно­го сигнала. Так, если реальный сигнал предварительно усилен до диапазона ±5,12 В, то приведенная погрешность преобразования составит g₀ = (0,0025 В/5,12 В) 100 % » 0,05 %.

Если реальный сигнал меняется в пределах ±1 В, то приведен­ная погрешность составит соответственно 0,0025 В/1 В = 0,25 %.

Поэтому для повышения точности преобразования в АЦП сиг­нал нужно предварительно масштабировать до диапазона измене­ния ±5,12 В. Кроме того, и сам АЦП производит преобразование с погрешностями, характерными для любого преобразователя: ад­дитивной погрешностью нуля (погрешностью сдвига), мультипли­кативной погрешностью чувствительности (погрешностью усиле­ния), погрешностью вследствие нелинейности характеристики преобразователя.

Характерной для АЦП является погрешность из-за дифферен­циальной нелинейности — отклонения реальных уровней дискре­тизации (рис. 4.10, в) от теоретических, или, другими словами, отклонение изменения входного сигнала, приводящего к смене выходного кода, от чувствительности.

Важным показателем АЦП является уровень шума, проявляю­щийся в спонтанных изменениях значений младших разрядов вы­ходного регистра при постоянном входном напряжении. Наличие шума фактически уменьшает так называемую эффективную раз­рядность и реальную чувствительность АЦП на число разрядов, в которых проявляется этот эффект.

Обычно эффективная разрядность падает с ростом частоты преобразования. Так как время преобразования невелико, для оп­роса нескольких датчиков обычно используют один АЦП, под­ключаемый к нужным каналам коммутатором, или мультиплек­сором.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для пре­образования дискретного по времени и уровню обычно 12-раз­рядного двоичного кода в непрерывный по времени и по уров­ню выходной сигнал. Другими словами, на вход ЦАП периоди­чески поступают числа в интервале от —2048 до +2047, кодиру­ющие выходное напряжение в интервале, например, от -5,12 до +5,12 В.

Цифроаналоговый преобразователь в основном применяется для преобразования сигнала от цифрового регулятора в аналого­вую форму изменяющегося по времени напряжения, используе­мого большинством электро-, гидро- и пневмоприводов в каче­стве управляющего сигнала. ЦАП расшифровывает код и выдает соответствующее напряжение на выход. Как правило, ЦАП до­полняется экстраполятором, запоминающим и поддерживающим неизменное напряжение, соответствующее входному коду ЦАП, до подачи нового входного кода. Выходное напряжение экстраполятора меняется обычно только в момент прихода на ЦАП нового кода.

Существуют системы, в которых один ЦАП работает совместно с несколькими экстраполяторами, подключаясь к ним через 1 коммутатор и корректируя их выходное напряжение, однако час­то при небольшом числе управляемых каналов и низкой стоимо­сти микросхем каждому ЦАП соответствует свой экстраполятор. Как правило, ЦАП не порождает погрешностей квантования, но остальные виды общих погрешностей присущи и этим преобразователям и составляют в сумме обычно не более 1 %. Характеристи­кой быстродействия ЦАП является время установления — интервал времени между моментом изменения входного кода и момен­том стабилизации выходного аналогового сигнала. Время установления обычных ЦАП составляет 2... 15 мкс.

Исполнительные устройства

Исполнительные устройства осуществляют преобразование сигнала, усиленного усилителем мощности, в форму, удобную для воздействия на рабочий орган системы (обычно в перемеще­ние или силу). Исполнительное устройство является конечным каскадом, последним элементом в системе управления, воздей­ствующим непосредственно или через согласующий орган на ре­гулирующий элемент системы, осуществляющий изменение ре­жима функционирования управляемого объекта. Например, ша­говый электродвигатель (исполнительное устройство) через ре­дуктор коробки подач (согласующий орган) задает перемещение суппорта станка с закрепленным на нем инструментом (регули­рующего элемента, рабочего органа).

По своим динамическим характеристикам исполнительные ус­тройства обычно являются интегрирующими или инерционными звеньями. Например, система позиционирования рабочего органа по показаниям датчика текущего положения рабочего органа X и по его требуемому положению Х._зад определяет требуемое пере­мещение ΔХ= Х_зад — X, которое через цепь преобразователей по­ступает на исполнительное устройство, например в виде скоро­сти вращения вала электродвигателя и скорости перемещения рабочего органа v, в результате чего меняются его координаты ΔХ = vΔt.

При закреплении инструмента на исполнительное устройство подается управляющий сигнал, уровень которого определяет силу зажима. Например, в пневмоприводе в полость рабочего цилинд­ра подается сжатый газ, давление которого Р (управляющий сиг­нал) совместно с площадью поршня S определит силу зажима F = PS, т. е. в первом приближении пневмоцилиндр можно счи­тать пропорциональным звеном, а если учесть инерционность пневмосистемы за счет конечной скорости течения газа — инерцион­ным звеном. Электродвигатель в силу механической инерции ро­тора также изменяет скорость вращения постепенно в ответ на скачкообразное изменение напряжения питания.

Исполнительные устройства в зависимости от характера дви­жения выходного элемента подразделяются на три вида:

- с линейным движением;

- поворотным движением (угол поворота меньше 360°);

- вращательным движением (угол поворота больше 360°).

Исполнительные устройства, как и другие элементы систем управления, в зависимости от вида используемой энергии делят­ся на электрические, гидравлические и пневматические.

К электрическим исполнительным устройствам относятся элек­тродвигатели, электромагнитные муфты, электромагниты (поворотные и втяжные), электромагнитные реле, электромагнитные контакторы и другие устройства, преобразующие электроэнергию в энергию механического движения. Электрические устройства, несмотря на известные преимущества, обладают рядом недостат­ков, среди которых основными являются часто недостаточные мощность и быстродействие.

Гидравлические и пневматические исполнительные устройства по сравнению с электрическими имеют более высокую мощность (примерно на порядок), обладают быстродействием и надежнос­тью, просты конструктивно, устойчивы к вибрациям и ударам, позволяют плавно менять выходные параметры в широком диапа­зоне.

В табл. 4.3 приведены ориентировочные сравнительные харак­теристики исполнительных устройств разного типа.

Таблица 4.3

При выборе исполнительного устройства сила или момент, раз­виваемые устройством, должны быть заведомо большими, чем сила или момент, требуемые для перемещения рабочего органа на всех режимах его работы, а быстродействие должно быть достаточным.