Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

28.

Преобразователи

для

цифровых

систем

автоматики

361

осуществляется

помощью

адресного

входа.

Схема

де-

мультиплексора показана

на

рис.

27.15.

Здесь

так же, как и в

схеме мультиплексора, испо-

льзуется дешифратор

DC.

При

подаче

на

адресные

входы

А1 и А2

сигнала

10 на

выходе

появится

«1» и

входной сигнал

будет

про-

ходить

на

информационный

выход

D2.

Рис.

27.15.

Демультиплексор

на

четыре

ин-

формационных

выхода

Контрольные

вопросы

Какими

достоинствами обладает импульсный сигнал

по

сравнению

аналоговым?

Как

работает

транзисторный

ключ?

Каковы достоинства

систем

цифровым сигналом?

Какие логические операции называют элементарными?

Что

такое

триггер?

Как

работает счетчик импульсов?

Что

такое мультиплексор?

Что

такое демультиплексор?

Глава

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ДЛЯ

ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

АВТОМАТИКИ

28.1.

Аналого-цифровые

преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен

для

авто-

матического преобразования (измерения

кодирования) непрерыв-

но

изменяющихся

во

времени

(т. е.

аналоговых) величин

соответ-

ствующие значения числовых кодов.

данном случае

под

словом

«цифра» понимается двоичный

код.

Когда, например, говорят

362

Раздел

V. ЦИФРОВЫЕ И

СПЕЦИАЛЬНЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

цифровой

звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или

цифровой телефонии, то подразумевают, что непрерывно изменя-

ющийся

звуковой сигнал записывается или передается именно в

виде двоичных (бинарных) кодов, т. е. «оцифрованным». Напом-

ним,

что в §12.3 уже был рассмотрен фотоэлектрический датчик с

цифровым

выходом и отметили, что он является аналого-цифровым

преобразователем (см. рис. 12.6).

В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют

на

последовательные, параллельные и последовательно-параллель-

ные.

На рис. 28.1 показан АЦП последовательного типа.

По

команде

«Пуск»

цифровой автомат ЦА вырабатывает после-

довательность двоичных чисел, которые поступают на

вход

циф-

ро-аналогового преобразователя (ЦАП), вырабатывающего напря-

жение

£/

цап

соответствующее каждому входному двоичному сигналу.

Это напряжение

£/

цап

непрерывно растет (пока работает ЦА) и по-

ступает на один из

входов

компаратора К, на

другой

вход

которого

поступает входное напряжение

Компаратор сравнивает эти два

сигнала и выдает сигнал при их равенстве. По этому сигналу оста-

навливается ЦА, а на его

выходе

фиксируется двоичный код, соот-

ветствующий

£/

вх

Таким образом, преобразование в последователь-

ном

АЦП происходит в ступенчатом режиме, отдельными шагами

(тактами),

последовательно приближаясь к измеряемому значению.

Поэтому последовательные АЦП на каждое преобразование анало-

гового сигнала затрачивают много времени. Для повышения их бы-

стродействия используется метод поразрядного уравновешивания.

Иллюстрирующая этот метод схема показана на рис. 28.2.

Роль

цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком так-

товых импульсов ДТИ. Считывание выходного кода происходит по

сигналу схемы готовности данных СГД, который поступает при по-

ступлении сигнала от компаратора К о равенстве входного напряже-

ния

и напряжения

Работа компаратора синхронизирована

импульсами ДТИ. Эти же им-

Выход

(код) пульсы последовательно пе-

«Пуск»

реводят разряды регистра

Рг

состояние «1», начиная со

старшего, а младшие разряды

при

этом остаются в состоя-

нии

«О». При этом ЦАП вы-

рабатывает соответствующее

напряжение,

которое сравни-

вается в компараторе

входным.

Если

Рис.

28.1. Аналого-цифровой преобразо-

ватель

последовательного

типа

больше

Глава

28.

Преобразователи

для

цифровых

систем

автоматики

363

Выход

(код)

256|

Рис.

28.2. Аналого-цифровой преобразователь

£/

вх

то по команде компаратора старший регистр сбрасывается в со-

стояние «О», если

a3n

меньше

то остается «1» в старшем разря-

де. Затем в состояние «1» переводится следующий по старшинству

разряд Рг и снова производится сравнение напряжений

ВХ

Цикл

повторяется до тех пор, пока не произойдет сравнение в млад-

шем разряде. После этого СГД выдает сигнал о выдаче выходного

кода. Число циклов сравнения в таком АЦП

будет

равно числу раз-

рядов выходного кода.

Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного

типа. Преобразование аналогового сигнала в код в таких АЦП осу-

ществляется за один шаг. Но такие АЦП

требуют

нескольких ком-

параторов. Выходное напряжение одновременно сравнивается во

всех

компараторах с несколькими опорными напряжениями. Парал-

лельные АЦП имеют большее число элементов, чем

последователь-

ные.

Рассмотрим работу трехразрядного параллельного АЦП

(рис.

28.3). Тремя двоичными разрядами можно представить восемь

чисел: от 0 до 7. Поэтому используется 7 компараторов для сравне-

ния

входного напряжения с опорными напряжениями, получаемы-

ми

с помощью схемы резисторного делителя. От каждого компара-

тора получается сигнал «О», если входное напряжение меньше опор-

ного,

и «1» — в противном случае.

Состояние

компараторов и соответствующих им двоичных ко-

дов показано в табл. 28.1. Преобразователь кода выдает двоичное

трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП

может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз

быстрее, чем у последовательных АЦП.

364

Раздел V.

ЦИФРОВЫЕ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

Рис.

28.3.

Параллельный трехразрядный аналого-цифровой преобразователь

Таблица

28.1

Входное

напряжение

/и

оп

U<0,5

0,5

U<\,5

1,5

U<2,5

2,5

£/<3,5

3,5

U<4,5

4,5

5,5

£/<

6,5

Состояние

компараторов

Двоичный

код-число

Глава

28.

Преобразователи

для

цифровых

систем

автоматики

365

28.2.

Цифро-аналоговые

преобразователи

Цифро-аналоговый

преобразователь (ЦАП) предназначен для авто-

матического преобразования (декодирования) входных величин,

представленных числовыми кодами, в соответствующие им значе-

ния

непрерывно изменяющихся во времени (т. е. аналоговых) вели-

чин.

Иными словами ЦАП выполняет обратное по сравнению с

АЦП преобразование. Выходные физические величины АЦП чаще

всего представляют собой электрические напряжения и токи, но это

могут

быть и временные интервалы, и

угловые

перемещения, и т. п.

В системе автоматики с ЭВМ или микропроцессором удобнее обра-

батывать (преобразовывать или передавать) цифровой сигнал, но

человеку (оператору) привычнее и удобнее воспринимать именно

аналоговые сигналы, соответствующие значениям числовых кодов.

Можно

сказать, что с помощью АЦП информация вводится в ЭВМ,

а с помощью ЦАП информация выводится из ЭВМ для воздействия

на

управляемый объект и восприятия человеком.

схемах

ЦАП обычно используется представление двоичного

числа, состоящего из нескольких разрядов, в виде суммы степеней

числа 2. Каждый разряд (если в нем записана единица) преобразует-

ся

в аналоговый сигнал, пропорциональный двойке в той степени,

каков

номер разряда, уменьшенный на единицу. На рис. 28.4 пока-

зана

простая схема ЦАП, основу которой составляет матрица (на-

бор) резисторов, которые подключаются ко

входу

операционного

усилителя ключами, управляемыми соответствующими разрядами

двоичного числа. В качестве ключей

могут

быть использованы трио-

ды (например МДП-транзисторы).

Если

в данном разряде записана «1», то ключ замкнут, если

«О» — разомкнут. Коэффициент передачи операционного усилителя

равен отношению сопротивления резистора в цепи обратной связи

1/0

1 л

Рис.

28.4. Цифро-аналоговый

преобразователь

на

базе

резистивной матрицы

366

Раздел

V. ЦИФРОВЫЕ И

СПЕЦИАЛЬНЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

ос

к сопротивлению резистора на

входе

усилителя (а величина это-

го сопротивления, как видно из схемы, для каждого разряда различ-

на).

Коэффициенты передачи

K=-(U

Bblx

)

по каждому разряду

преобразуемого двоичного числа (если в этом разряде записана «1»)

соответственно равны

R^R^,

IRJR^,

&R\/RQ.

Выходное напряжение ЦАП определяется суммой

-U

[

Къ)

-U

/R,)

(8Х

4Л-

2Х

где X принимает значение 1 или 0 в зависимости от того, что запи-

сано

в данном разряде двоичного числа.

Таким

образом, четырехразрядное двоичное число преобразует-

ся

в напряжение

Bblx

которое может принимать 16 возможных зна-

чений

от 0 до

15£/

кв

где

— шаг квантования. Для уменьшения

погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных

разрядов ЦАП. При изготовлении интегральных микросхем ЦАП по

данной

схеме

очень трудно сделать высокоточные резисторы с со-

противлениями,

отличающимися

друг

от

друга

в десятки и сотни

раз.

Кроме того, нагрузка источника

изменяется в зависимости

от состояния ключей, поэтому необходимо применять источник с

малым внутренним сопротивлением.

Схема ЦАП, показанная на рис. 28.5, свободна от указанных не-

достатков. В этой

схеме

весовые коэффициенты каждого разряда за-

даются последовательным делением опорного напряжения с помо-

щью матрицы резисторов. Эта матрица представляет собой много-

звенный

делитель напряжения и называется резистивной матрицей

типа R-2R. В данной

схеме

ЦАП используются двухпозиционные

ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко

входу

опера-

0,5

0,25

0,125t/

Рис.

28.5. Цифро-аналоговый

преобразователь

на

базе

резистивной

матрицы

R-2R.

Глава

28.

Преобразователи

для

цифровых

систем

автоматики

367

ционного усилителя (при «1» в данном разряде), либо к общему

ну-::

левому проводу.

Входное

сопротивление резистивной матрицы

при:

этом не зависит от положения ключей. Коэффициент

передачи:

между

соседними узловыми точками матрицы составляет 0,5.

Для

схемы

ЦАП по рис. 28.5 выходное напряжение равно ;;;;;;;;;;;

шх

-г/

оп

(Л/16Я)(*,

2Х

4*з

Условное обозначение ЦАП показано на рис. 28.6.

Наибольшее влияние на погрешность ЦАП

оказывают отклонения сопротивлений резисторов

от их номинальных значений, а также то, что у

реального ключа сопротивление в закрытом со-

стоянии

не равно бесконечности, а в открытом —

не равно нулю. Выпускаемые в интегральном ис-

полнении

резистивные матрицы имеют относите-

ис

28.6.

Услов-

льную

погрешность коэффициента деления по- ное

обозначение

рядка

сотых

долей процента.

ЦА

: ::

28.3.

Индикаторные устройства

Для отображения информации в системах автоматического

управле-

ния

широко используются индикаторные устройства. Чаще

всего

информация

отображается с помощью оптических

индикаторов^пр-;:;

скольку именно с помощью зрения человек воспринимает основной:::

(более

трех

четвертей) объем информации, используемой и в

произ-

водственной деятельности, и в

быту.

Кроме оптических

индикато-

ров используются звуковые (акустические) индикаторы.

Например:,;:;

для сигнализации аварийных ситуаций наиболее приемлемы

имен-:::

но

звуковые сигналы (сирена,

гудок)

в сочетании с привлекающими

внимание персонала световыми (т. е. оптическими)

сигналами.;;;;;;;;;;

Рассмотрим оптические индикаторные устройства, в

дальней-::::

шем называемые для краткости индикаторами. Различают

активные

пассивные оптические индикаторы. К активным

индикаторам

от-

носятся лампы накаливания, газоразрядные приборы,

кинескопы

другие

устройства, излучающие

свет

в видимой части

спектра.;;;

пассивным индикаторам относятся те устройства, которые

сами::

не

излучают

свет, а лишь

отражают

свет

внешних

источнйкба.-

ним относятся шкалы измерительных приборов, цифровые

инди-

каторы (например, счетчика электроэнергии в квартире или

счетчи-

ка

километров на приборной панели автомашины),

жидкокристал-

лические индикаторные панели.

368

Раздел

ЦИФРОВЫЕ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

Светодиод в настоящее время является одним из наиболее про-

стых и распространенных активных индикаторов. Принцип дейст-

вия

его основан на том, что при протекании прямого тока через по-

лупроводниковый диод происходит излучение фотона (т. е. световой

энергии).

В кремниевых и германиевых диодах это излучение про-

исходит в невидимом глазом диапазоне длин волн. А если выпол-

нить

диод на основе арсенида-фосфида галлия (GaPAs), то излуче-

ние

происходит в диапазоне длин волн от 0,58 до 0,65 микрон. Это

излучение человек воспринимает как желтый (0,58 мкм), оранже-

вый

(0,63 мкм) или красный (0,65 мкм) свет. Светодиод, изготов-

ленный

на основе фосфида галлия

(GaP),

излучает зеленый

(0,56 мкм) свет, а изготовленный на основе арсенида галлия

(GaAs), — инфракрасный (0,90 мкм), хотя и невидимый человече-

ским

глазом, свет, но удобный для дистанционного управления объ-

ектами.

В зависимости от количества и пропорции примесей можно

изменять

длину волны максимума излучения, т. е. цвет свечения

фотодиода. Материалы, используемые для изготовления светодио-

дов, дороже кремния и германия, поэтому светодиоды дороже

обычных диодов. Коэффициент полезного действия светодиодов

очень мал, только у инфракрасных диодов он составляет примерно

5 %, а у

других

в сто раз меньше. Быстродействие светодиодов очень

высокое:

при подаче скачкообразного входного сигнала яркость ди-

ода изменяется за

сотую

долю миллисекунды.

Входным сигналом для светодиода является прямой ток. От его

величины зависит и яркость свечения. Хорошая видимость

даже

при

дневном свете обеспечивается при прямом токе от 5 до 20 мА.

При

этом напряжение на светодиодах составляет 2—3 В. Светодио-

ды по своим параметрам хорошо согласуются с транзисторными и

интегральными схемами. На рис. 28.7 показаны схемы включения

светодиодов VD с помощью транзисторного ключа (а — высоким

+Еп

(/в:

Рис.

28.7. Схемы включения светодиодов

Глава

28.

Преобразователи

для

цифровых

систем

автоматики

369

уровнем напряжения, б — низким уровнем). Поскольку транзистор

обладает

усилительными свойствами, ток, потребляемый от ис- :

точника

сигнала, в десятки раз меньше прямого тока светодиода. :

Сопротивление резистора

i^^,

ограничивает прямой ток свето-

диода и его величина равна:

Л^

(Е-

UVD)/IVD.

Светодиоды выпускаются в различном исполнении: точечном,

линейном,

цифрознаковом.

Наибольшее распространение получили

семисегментные цифровые светодиодные индикаторы. Стилизован- :

ное

изображение цифры составляется из семи светодиодных сег- :

ментов,

расположенных в виде цифры 8. ~

При

подаче сигналов на определенные сегменты высвечивается

требуемая цифра. Например, для высвечивания цифры 5 необходи-

мо подать сигналы на сегменты a,f, q, с, d (рис. 28.8). :

Линейный

светодиодный индикатор представляет собой интег- :

ральную

схему

в виде светящегося столбика, образованного после- -

довательно включенными светодиодными сегментами, и блока

управления. Внешне такой индикатор выглядит как линейная шка-

ла, он

служит

для отображения непрерывно меняющейся информа-zz

ции

и является аналогом стрелочного измерительного прибора.

:3ш~

устройства используются в многоканальных системах для индика-

ции

однотипной информации. Несколько расположенных рядом —

линейных

шкал очень удобны для восприятия оператором. —

Люминисцентные индикаторы также относятся к типу актив- —

ных. Они представляют собой электронную

вакуумную

лампу с ка- ~

тодом, управляющей сеткой и несколькими анодами.

Аноды

покры-~

ты слоем люминофора, который светится, если на него попадает—

поток

электронов, испускаемых катодом. Устройство

люминисцепт-—

ного индикатора показано на рис. 28.9. В стеклянном баллоне

5;рае-—

положены катод /, сетка 3 и аноды 2 на подложке 4. Катод

выпол-~

нен

в виде

двух

тонких вольфрамовых нитей, натянутых

параллель-~

но

анодам.

Между

катодом и анодами находится плоская

сетка,

НаР^

катод подается напряжение накала, он нагревается и испускает

по—

ток

электронов. На сетку и

аноды подаются положитель-

ные

(по отношению к

катоду)

напряжения.

Поток электронов

из

катода устремляется к поло-

жительно заряженной сетке,

пролетает ее по инерции и по-

падает в ускоряющее поле тех

анодов, на которые подано на-

пряжение.

При достижении

d d ~

Рис.

28.8.

Семисешентный

индикатор —

370

Раздел

ЦИФРОВЫЕ

И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

bedefg

1111111

Рис.

28.9.

Люминисцентный

индикатор

анодов кинетическая энергия разогнавшихся до большой скорости

электронов

переходит

световую

энергию излучаемых люминофо-

ром квантов света (как и в обычной электронно-лучевой трубке).

Серийно

выпускаемые промышленностью люминисцентные ин-

дикаторы

работают

при напряжении накала до 5 В и сеточном на-

пряжении

20—30

В.

пассивным относятся жидкокристаллические индикаторы.

Считывание с них информации возможно лишь при наличии внеш-

него освещения — естественного или искусственного. Принцип

действия таких индикаторов основан на изменении степени про-

зрачности органических жидкокристаллических веществ, находя-

щихся в электрическом поле.

Конструктивно жидкокристаллический индикатор (рис.

28.10)

выполнен в виде

двух

плоских стеклянных пластин

разделенных

по

периметру прокладкой 2. На внутреннюю поверхность одной

пластины наносятся прозрачные проводящие электроды-сегменты

3, форма и взаимное расположение которых

будут

определять инди-

цируемые знаки. На всю

вторую

пластину 1 наносится проводящий

прозрачный электрод 4. Пространство

между

пластинами заполня-

ется жидкокристаллическим веществом, толщина слоя которого со-

ставляет примерно 10 микрон. Со-

бранный таким образом пакет из

стеклянных пластин, электродов и

жидкого кристалла

герметизируют.

Выводы от электродов проходят

через

герметик.

Для управления

индикатором

между

общим элект-

Рис.

28.10.

Жидкокристаллический родом и электродами-сегментами

индикатор подается напряжение

5—15

В.