5.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму

5.2. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

5.3. Типовые схемы АЦП

5.4. Интеллектуальные датчики

5.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму

В настоящее время в большинстве случаев датчики являются элементами цифровых систем управления, что требует преобразования сигнала датчиков в цифровую форму, при вводе в контроллер и иногда обратного преобразования цифрового управляющего сигнала контроллера в аналоговую форму при выводе на исполнительное устройство. Аналого-цифровое преобразование (АЦП, ADC) содержит 3 фазы: дискретизацию по времени, квантование по уровню, цифровое, двоичное кодирование.

а) При дискретизации по времени из непрерывного сигнала x(t) формируется последовательность отсчетов y(T_i). В случае равномерной дискретизации . Возможность восстановления исходного сигнала по отсчетам определена теоремой Котельникова, по которой между частотой квантования и максимальной частотой спектра сигнала, которую надо учитывать, должно выполняться соотношение.

.

Для упрощения построения АЦП обычно выбирают . Рис. 48.

Рис. 48. Аналого-цифровое преобразование

b) Квантование по уровню состоит в округлении значения отсчета до ближайшего уровня квантования. Весь диапазон значений измеряемой величины от до разбивается на равные интервалы. Действительные значения воспроизводятся с помощью дискретных, отличающихся на . Процесс перехода от непрерывных значений в дискретные называется квантованием. - шаг квантования. Шаг выбирается в пределах допускаемой погрешности измерения. Времени соответствует значение , и т.д. Величина - единицы измерения. Это равномерная шкала квантования, реже используются другие, например, логарифмические или специальные: A, l.. При квантовании возникает задержка нулевого уровня, которую надо учитывать при оценке динамических характеристик системы: .

c) Отсчеты кодируются в двоичном или двоично-десятичном коде. Для цифрового кодирования необходимо в каждый дискретный момент времени воспроизвести в цифровой форме значения, заменившее непрерывную измеряемую величину. Для этого дискретные значения представляют в виде последовательности цифровых кодов. Например, Х₀ – 001, Х₁ – 101, Х₂ – 111 и т. д.

Преимущества цифровой формы, кроме непосредственной обработки контроллером:

1) большая помехоустойчивость;

2) простота передачи на расстояние;

Аналого-цифровое преобразование приводит к образованию двух видов ошибок: это ошибки метода и приборные ошибки.

Ошибки метода:

1. Задержка нулевого уровня .

2. Ошибка квантования . При N-разрядном коде , где S – диапазон входной величины.

Приборные ошибки АЦП.

1. Нелинейность характеристики; дрейф нуля, дребезг младшего разряда.

2. Динамические ошибки при переходном процессе, конечное время преобразования.

3. Ложные частоты.

5.2. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

ЦАП служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал. ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики для связи контроллеров, вырабатывающих сигналы управления в виде цифрового кода, с аналоговыми элементами системы.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода.

ЦАП преобразует цифровой двоичный код а₀, а₁, а₂, .. а_п-1 в аналоговую величину, обычно напряжение U_вых.. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

,

где e = - напряжение, соответствующее весу младшего разряда, а_i - значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует: U_вых=e*(0*1+0*2+1*4+1*8)=12*e.

Точность преобразования: ,и для .

Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины. На рисунке 49 приведена схема цифро-аналогового преобразователя.

Рис. 49. Схема цифро-аналогового преобразователя

В регистр записывается двоичный код выходного сигнала, на выходе сумматора формируется аналоговый эквивалентный сигнал. Этот сигнал имеет ступенчатую форму (рис. 50) и для его сглаживания нужен фильтр низкой частоты.

Рис. 50. Сигналы на выходе сумматора и фильтра

5.3. Типовые схемы АЦП

Существуют различные типы АЦП. Мы остановимся лишь на тех типах, которые получили в настоящее время наибольшее распространение.

АЦП параллельного типа является самым быстродействующим. У него существенно меньше, чем у других АЦП время преобразования (tпр). Структурная схема АЦП параллельного типа приведена на рис. 51.

Рис. 51. Схема АЦП параллельного типа

Здесь входная аналоговая величина U_вх с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью 2ⁿ⁺¹ – 1 компараторов с 2(2ⁿ-1) эталонными уровнями, образованными делителем из резисторов равного сопротивления. На вход делителя подается стабилизированное опорное напряжение U_оп. При этом срабатывают те (m) младших компараторов, на входе которых уровень сигнала выше эталонного уровня. На выходах этих компараторов образуется единичный код, на выходе остальных (n-m) нулевой код. Код с выхода компараторов затем с помощью специального кодера-дешифратора преобразуется в двоично-кодированный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и погрешностями компараторов. Значительную роль могут играть входные токи компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. Основной недостаток требуется набор прецизионных сопротивлений.

АЦП последовательного приближения является наиболее распространенным. Существует много различных вариантов схемы такого АЦП. Структурная схема АЦППП со счетчиком приведена на рисунке 52. Схема работает следующим образом. Входной аналоговый сигнал Х перед началом преобразования запоминается схемой выборки – хранения (В/Х), что необходимо, так как в процессе преобразования необходимо фиксировать значение аналогового сигнала. Сигнал с выхода схемы выборки – хранения подается на один из входов компаратора, на второй вход которого подается сигнал с выхода ЦАП. Состояние ЦАП определяется кодом, хранящимся в запоминающем устройстве (ЗУ), а этот код соответствует в свою очередь состоянию счетчика, входящего в состав устройства управления (УУ).

В начальный момент времени счетчик обнулен, на выходе ЦАП нулевой сигнал, на выходе компаратора сигнал логической единицы.

Рис. 52. Схема АЦП последовательного приближения

Далее по команде “Пуск” с генератора G на счетчик подаются тактовые счетные импульсы; код на выходе счетчик последовательно увеличивается; соответственно увеличивается напряжение на выходе ЦАП. Как только оно сравнивается с входным аналоговым сигналом, срабатывает компаратор, процесс счета останавливается и на выходе ЗУ формируется двоичный цифровой код, соответствующий входному аналоговому сигналу.

Погрешность АЦП определяется разрядностью АЦП, неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и т. д.

, например для n=8 имеем d=100/256=0,4%.

На входе АЦП тоже включают аналоговый фильтр нижних частот, для уменьшения помех, после АЦП. В системах управления обязательно используют цифровой фильтр для усреднения сигнала, устранения влияния помех и субчастот.

5.4. Интеллектуальные датчики

В настоящее время все чаще применяют «интеллектуальные датчики». Интеллектуальный датчик имеет встроенный микропроцессор, выполняющий некоторую обработку сигнала, и поэтому может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход, температуру и давление – в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка.

Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов, аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой – для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. d = 0,075%. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем.

Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4..20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами.

Цифровой датчик позволяет хранить последовательную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов. Для сильно распределенных объектов интеллектуальному датчику нет альтернативы. благодаря встроенному интерфейсу с промышленной локальной сетью.

В класс интеллектуальных цифровых устройств входят и специализированные микросхемы, например контроллеры для работы с термопарами.

Фирма Analog Device выпускает AD596/AD597 – монолитные контроллеры, оптимизированные для использования в условиях любых температур в различных случаях. В них осуществляется компенсация напряжения холодного спая и усиление сигналов с J- и К-термопары таким образом, чтобы получить сигнал, пропорциональный температуре. Схемы могут быть подстроены так, чтобы обеспечить выходное напряжение 10 мВ/°С непосредственно от термопар типа J или К. Каждый из чипов размещен в металлическом корпусе с десятью выводами и настроен на работу при температуре окружающей среды от 25°С до 100°С.

AD596 усиливает сигналы термопары, работающей в температурном диапазоне от 200°С до +760°С, рекомендованном для термопар типа J, в то время как AD597 работает в диапазоне от -200°С до +1250°С (диапазон термопар типа К). Усилители откалиброваны с точностью ±4°С при температуре окружающей среды 60°С и характеризуются температурной стабильностью 0,05°С/°С при изменении температуры окружающей среды в пределах от 25°С до 100°С.

Все вышеописанные усилители не в состоянии компенсировать нелинейность термопары: они способны лишь корректировать и усиливать сигнал с термопарного выхода. АЦП с высокой разрешающей способностью, входящие в семейство AD77xx, могут использоваться для прямой оцифровки сигнала с выхода термопары, без предварительного усиления. Преобразование и линеаризацию осуществляет микроконтроллер. Два мультиплексируемых входа АЦП используются для прямой оцифровки сигнала с термопары и с теплового датчика, находящегося в контакте с ее холодным спаем. Вход PGA (программируемого усилителя) программируется на усиление от 1 до 128, и разрешающая способность АЦП лежит в пределах от 16 до 22 бит в зависимости от того, какая из микросхем выбрана пользователем. Микроконтроллер осуществляет как компенсацию напряжения холодного спая, так и линеаризацию характеристики.