Преобразователи аналог-код

Измерительные устройства непрерывного действия, применяемые в си­стемах автоматического регулирования с управляющими цифровыми вычислительными машинами, могут присоединяться к ЦВМ лишь через преобразователи аналог—код, преобразующие исходную аналоговую информацию в код (двоичный, двоично-циклический). Аналоговые сигналы поступают в виде постоянного или переменного напряжения, частоты, фазы, временных интервалов и углов поворота.

Преобразование аналоговых величин в цифровой код можно представить в виде квантования по времени и уровню с последующим кодированием Процесс квантования по времени состоит в последовательной выборке через определенные интервалы времени Т_к текущих значений непрерывного сиг­нала х (t). Период квантования Т_к можно определить с помощью прибли­женной формулы

(VI.98)

где n — число двоичных разрядов; (dx/dt)_max — максимальная скорость изменения непрерывного сигнала.

Рассмотрим процесс прохождения непрерывного сигнала через пре­образователь аналог—код (рис. VI.20). Из рисунка видно, что преобразова­ние сигнала в код происходит не мгновенно, а за вполне определенное время Т_пр. Сигнал с преобразователя снимается с временной задержкой Т_ц [33], называемой длительностью цикла. При квантовании по уровню текущее значение х (t) заменяется ближайшим дискретным значением х (кТ) стати­ческой характеристики преобразователя (рис. VI.21).

Из рис. VI.21 можно найти, что число уровней

q = 2^n-1 (VI.99)

После процесса квантования по времени и уровню сигналы преобра­зуются в цифровой код вычислительной машины.

При выборе преобразователя аналог—код необходимо вычислять ста­тическую и динамическую погрешности. Как известно [33], статические погрешности зависят от округления переменной и инструментальной по­грешности преобразователя. Статическая погрешность определяется с по­мощью формулы

(VI.100)

Средняя квэдратическая инструментальная погрешность

(VI.101)

Рис. VI.20. Прохождение сигнала х через преобразователь аналог—код

Рис. VI.20. Статическая характгрштича преобразова-теля аналог—код

Рассмотрим преобразователи аналог—код различных типов. Наи­большее применение получили преобразователи напряжения и угла пово­рота в коды.

Преобразователи постоянного и переменного напряжения в код. Суще­ствует три способа преобразования непрерывного постоянного напряжения в код: последовательного счета, поразрядного кодирования, считывания. Схема преобразователя аналог—код, работающего по способу последова­тельного счета, приведена на рис. VI.22, а.

Входное напряжение и_х преобразуется сначала в пропорциональный временной интервал Т_х (рис. VI.22, б), а затем в код (рис. VI.22, в). Из схемы видно, что импульсы запуска поступают на генератор пилообразного напряжения ГПН, который вырабатывает напряжение и_п. Триггер Тг открывает схему совпадения, и импульсы ГИ поступают на счетчик СТ. В момент равенства и_п и и_х срабатывает схема сравнения (рис. VI.22, б), которая ставит триггер Тг в нулевое состояние, а импульсы ГИ перестают поступать на счетчик. Код на счетчике (рис. VI.22, в) будет пропорционален временному интервалу Т_х и напряжению и_х. При и_п = и_x имеем

(VI. 108)

где а — скорость изменения пилообразного напряжения. С помощью выра­жения (VI. 108) найдем, что выходной код

(VI. 109)

Рис. VI.22. Преобразователь постоянного на­пряжения

с использованием способа последова­тельного счета

Схема преобразователя постоянного напряжения в код по способу по­разрядного кодирования (рис. VI.23) работает следующим образом. На первом такте происходит сравнение и_х и первого эталонного напряжения, которое снимается с преобразователя напряжение—код ПНК. После этого напряжение усиливается в усилителе постоянного тока УПТ.

В работе преобразователя возможны два случая: и_х > а_э и и_х < и_ъ. В первом случае на выходе УПТ будет отрицательное напряжение. От дей­ствия этого напряжения и импульсов ДУ₁ и ДУ₂ триггер Тг_п сохраняет состояние «1» и напряжение на выходе ПНК не изменяется. Во втором слу­чае на выходе УПТ будет положительное напряжение, которое через логи­ческие схемы переведет триггер в состояние «0». В результате с выхода ПНК снимается напряжение u_э. Такие же преобразования выполняются и на последующих тактах (т. е. в каждом из тактов происходит сравнение u_x с суммой эталонных напряжений ПНК). После окончания п рабочих тактов поступает (п + 1)-й тактовый импульс, приводящий к считыванию параллельного кода N_x. Преобразователь приходит в нулевое состояние после подсчета (п + 2)-го импульса.

Рис. VI.23. Схема преобразователя постоянного напряжения о код с использованием способа поразрядного кодирования

Рис. VI .24. Схема преоб­разователя постоянного напряжения в код с использованием способа считывания

Преобразователь напряжения, построенный по способу считывания (рис. VI.24), имеет 2ⁿ — 1 опорных напряжений, снимаемых с делителей. Каждое из этих напряжений поступает на схемы сравнения СС₁ СС₂, ..., ..., СС₂n _-1 куда подается напряжение и_х. В зависимости от результатов сравнения получается параллельный код N_x. Для исключения неодно­значности считывания применяются фиксирующие триггеры Тг₁, Тг₂, ..., ..., Тг_п. Выходной сигнал снимается со счетчика СД. Преобразователи этого типа нашли самое широкое распространение из-за высокого быстродействия.

В преобразователях переменного напряжения в код используется прин­цип формирования опорных напряжений (рис. VI.25), когда входной сигнал переменного тока и_х поступает через блок масштабного преобразования БМП на схему сравнения СС₂. Одновременно с этим сигнал и_х через блок СС₁ попадает на вспомогательный блок масштабного преобразования ВБМП, представляющий собой делитель напряжений.

Напряжение и_х сравнивается с постоянным эталонным напряжением и, на блоке СС₂. В зависимости от сигнала разности этих напряжений цепи уравновешивания ЦУ и БМП устанавливают такой передаточный коэффи­циент k_n, при котором имеет место равенство

(VI. 110)

На выходе БМП получается напряжение u_оп, поступающее на ВБМП. В результате этого с блока ВБМП снимается напряжение и_х, управляющее схемой сравнения CC₁. С выхода CC₁ снимается сигнал для изменения пере­даточного коэффициента k_В ВБМП. Когда разность и_х — u_k становится малой, коэф­фициент k_В находят с помощью соотно­шения

k_П k_В =1 (VI. 111)

С учетом соотношения (VI.111) выражение (VI.110) примет вид

(VI.112)

Рис. V1.25. Схема преобразователя пе­ременного тока в код с использованием метода опорных напряжений

поэтому код выхода N_х будет однозначно соответствовать положению ключей в де­лителе опорного напряжения ВБМП.

Преобразователи временного интервала в код создают на основе схемы, работающей по методу последовательного счета. Однако для повышения точности в таких преобразователях применяют ли­нии задержки (рис. VI.26). Линия задержки смещает на τ/2 импуль­сы ГИ, в результате чего созда­ются две цепочки импульсов, посту­пающих на счетчики СТ₁ и СТ₂. Если положение импульса оста­нова, воздействующего на логиче­ские элементы запрета З₁ и З₂, будет определяться относительно этих двух цепочек импульсов, то максимальная ошибка временного интервала ∆t уменьшится в 2 раза.

В преобразователях напряжения в частоту

(рис. VI.27) после запуска напряжение и_х поступает на ключ К, при замыкании которого включается интегратор. Одновременно с этим схема совпадения начинает пропускать импульсы ГИ на счетчик. Напряжение на выходе интегратора ц_и линейно возрастает до опорного u_оп. При u_и > u_оп схема сравнения СС сраба­тывает, и импульс ГИ поступает на второй вход интегратора. Амплитуда импульса и, имеет обратную полярность к и_х, а длительность равна τ. В результате напряжение u_и упадет. Итак, после действия импульса ГИ напряжение и„ снова начинает увеличиваться и цикл интегрирования повторяется.

Если считать, что приращение напряжения на выходе интегратора равно нулю, то можно записать следующую зависимость

(VI.113)

При и_х = const в интервале от 0 до T_и из зависимости (VI. 113) найдем

(VI.114)

Если частота следования импульсов ГИ

(VI.115)

а

(VI.116)

где

(VI.117)

то число импульсов, прошедшее через счетчик СТ за время Т, будет

(VI.118)

Таким образом, показания счетчика СТ пропорциональны входному напряжению.

Преобразователи углов поворота в коды имеют кодовые шкалы, считан­ный сигнал с которых образует двоич­ный или циклический код. В качестве устройств считывания применяются щетки, магнитные головки и в фотодиодные датчики [78]. Если используется двоичная кодовая шка­ла 1 (рис. VI.28, а), то весь диапа­зон углового перемещения разбивают на равные интервалы h_x; каждому интервалу соответствует вполне опре­деленное двоичное число. Соотноше­ние между числом разрядов п двоич­ного числа, интервалом h_x и диапа­зоном изменения переменных x_max — х_min можно представить в виде

(VI.119)

Младшему разряду двоичных чисел круговой кодовой шкалы соответ­ствует внешнее кольцо, а старшему — внутреннее кольцо кодовых участков. В этом случае

(VI.120)

где k — 1, 2, 3, ... — порядковый номер кольца.

Преимущество двоичной кодовой шкалы заключается в том, что счи­танный сигнал представляет собой код двоичного числа. Однако считывание сигналов, например, щетками 2 (рис. VI.28, а) может происходить со значи­тельными ошибками. Так, в пятиразрядной двоичной кодовой шкале на гра­нице между 15-м и 16-м секторами вместо двоичных чисел 01111 и 1000 может быть считано любое пятиразрядное число от 00000 до 11111.

Во избежание ошибок считывания применяют циклические кодовые шкалы (рис. VI.28, б). Циклические коды приводятся к двоичному коду путем сложения сдвинутого двоичного числа по модулю 2 (без переноса), т. е.

(VI.121)