Цифрові пристрої. Цифро-аналогові і аналого-цифрові перетворювачі

Цифрові пристрої автоматики — це, як правило, електронні пристрої, працюючі в дискретному режимі, тобто вони можуть знаходитися тільки в певних фіксованих положеннях. Цифровими вони називаються тому, що їх стани мо-гут бути позначені цифрами: 1, 2, 3-і і так далі. Оскільки цифрові пристрою використовуються з ЕОМ, яка сама є цифровим пристроєм, то прийнято використовувати для позначення станів цифри двійкової системи числення, зручні для виконання операцій в арифметико-логічному пристрої ЕОМ.

Цифрові пристрої в автоматичних системах використовуються:

· для отримання і зберігання інформації з датчиків дискретних параметрів (стани і кількості об'єктів);

· вибору порядку опитування датчиків;

· формування дискретних дій («увімкнути-вимкнути», «відкрити-закрити», «перевести в положення 5» і так далі), що управляють;

· управління черговістю виконання операцій;

· обміну інформацією з ЕОМ.

Наприклад, в режимі програмно-логічного управління саме цифрові пристрої забезпечують таку послідовність операцій:

· включити пускач П1;

· відкрити клапан К1;

· коли тиск в системі досягне значення Р1, відкрити вентиль В1 на 30° (положення 3) і так далі

Усі цифрові пристрої, що виконують перераховані функції, будуються на основі тригера.

Тригер — цей пристрій, що має два стійкі стани рівноваги і виконує роль електронного реле.

Стани тригера позначаються цифрами 0 і 1.

Основу електронного тригера складають два транзисторні елементи, званих ключами (рис. 40). У ключі транзистор може знаходитися в одному з двох станів : або він відкритий, тобто через нього тече струм, або він закритий, т. е. струму немає. Ключі в тригері сполучені так, що якщо один з них знаходиться у відкритому стані, то інший — обов'язково в закритому, і навпаки. При відкритому транзисторі напруга на його виході близько до нуля, а при закритому — до напруги джерела живлення. Тому відкритий стан умовно означають 0, а закрите 1.

Рисунок 40 – Тригер в стані 0

Якщо на вхід закритого транзистора поступає відкриваючий імпульс напруги, то він переводить транзистор у відкритий стан і напругу на виході транзистора зменшується, т. е. формується сигнал 0. При цьому другий транзистор, раніше відкритий, переходить в закритий стан і напругу на його виході зростає (сигнал 1). Якщо тепер відкриваючий імпульс поступить на вхід другого транзистора, то знову встановиться первісний стан тригера.

Прийнявши вихід одного з транзисторів за вихід усього тригера, ми можемо позначити стани тригера 0 і 1. Тоді можна стверджувати, що вступ імпульсу на один вхід тригера встановлює його в стан 0, а на інший вхід — в стан 1. Стан 0 тригера зазвичай приймають за початкове; при цьому виходом тригера вважають вихід відкритого в цьому стані транзистора, на якому напруга дорівнює 0 (сигнал 0). Цей вихід називають прямим, а вихід іншого транзистора — інверсним. При створенні цифрових пристроїв, наприклад лічильників імпульсів, використовують сигнали як з прямого, так і з інверсного виходів.

З'єднавши входи транзисторів так, щоб вхідні імпульси могли поступати відразу на обидва транзистори, можна організувати ще один вхід тригера — рахунковий. При подачі відкриваючого імпульсу на цей вхід відкриється той транзистор, який у цей момент знаходиться в закритому стані. Оскільки при переключенні тригера закритий то один транзистор, то інший, подача імпульсів на рахунковий вхід переводить тригер послідовно з одного стану в інше і назад, що дозволяє використовувати його як лічильник імпульсів.

Регістр— цей пристрій для зберігання інформації, представленої в двійковій формі.

Регістр є групою тригерів із загальним входом установки в 0. Регістр, в якому усі тригери незалежні, називаються паралельним (рис. 41, а). Сигнали (наприклад, з дискретних датчиків) поступають паралельно на входи усіх тригерів, утворюючи на виході регістра поєднання нулів і одиниць (паралельний код). Для установки регістра в початковий стан на загальний вхід установки в 0 усіх тригерів подається відповідний сигнал.

У ряді випадків, наприклад при виконанні операцій з двійковими кодами в процесорі комп'ютера або для управління комутатором, вимагається зрушувати код, занесений в регістр, на один або декілька розрядів. Для цього тригери з’єднуються між з бій так, як показано на рис. 41, б, утворюючи зрушуючий регістр. Він є ланцюжком сполучених послідовно тригерів, для яких загальний сигнал установки в 0 стає сигналом зрушення інформації, що зберігається, на один розряд. При вступі сигналу «Зрушення» кожен тригер, що знаходився в стані 1, перемикається в стан 0 і при цьому передам наступному тригеру імпульс установки в 1. Якщо наступний тригер був в стані 0, то він встановлюється в стан 1. Тригер, що знаходився в стані 0, не може перемкнути наступний тригер.

Рисунок 41 – Чотирьохрозрядний регістр: а - паралельний , б - зрушуючий

Лічильник імпульсів — цей пристрій, призначений для підрахунку електричних імпульсів, що поступають на його вхід

Результат підрахунку кількості імпульсів представляєте в двійковому коді, тобто у вигляді двійкового числа.

Лічильники будуються на базі тригерів. Оскільки один вхід є одним розрядом двійкового числа, то для формування, наприклад, 8-розрядного числа потрібно вісім тригерів. Тригери з'єднуються послідовно, як показано на рис. 42.

На відміну від зрушуючих регістрів в лічильниках імпульси подаються на рахункові входи тригерів. Завдяки цьому з кожним наступним імпульсом відбувається зміна стану тригера незалежно від того, в якому стані він перед цим знаходився. Але на наступний тригер імпульс поступає, як і в зрушуючому регістрі, тільки тоді, коли попередній тригер переходить із стану 1 в стан 0. Сигнали на виходах тригерів формують двійкове число, значення якого дорівнює кількості імпульсів, які поступили на лічильник.

Максимальна кількість імпульсів, які може порахувати лічильник, дорівнює кількості його можливих станів, тобто кількості різних комбінацій станів тригерів лічильника. Так, для лічильника з двома тригерами кількість можливих станів — чотири; вони відповідають двійковим числам на виході лічильника 00, 01, 10 і 11. При трьох тригерах кількість станів — вісім, від 000 до 111. У загальному випадку, якщо в лічильнику п тригерів, число різних станів лічильника дорівнює 2". Так, 8-розрядний лічильник дозволяє лічити до 28 = 256.

Залежно від того як організовані зв'язки між тригер-мі, лічильники можуть бути такими, що підсумовують або віднімають. Лічильник, що показаний на рис. 42, підсумовує; кількість його раз-особистих станів 24 = 16. Перший тригер, на який поступають вхідні імпульси, утворює молодший розряд 4-розрядного двійкового числа на виході лічильника; останній від входу тригер утворює старший розряд.

Як відбувається підрахунок імпульсів? Спочатку усі тригери встановлюються в стан 0, на виході лічильника — число 0000. Перший вхідний імпульс перемикає тригер молодшого розряду н стан 1, число на виході лічильника стає 0001. Другий імпульс повертає цей тригер в 0, але такий перехід переводить тригер другого розряду в 1; число на виході — 0010 (нуль-нуль-один-нуль). Третій імпульс знову переводить тригер молодшого розряду в 1; при цьому тригер другого розряду не міняє свого стану, число на виході — 1011. Четвертий імпульс повертає тригер молодшого розряду в 0, його вихідний сигнал переводить тригер другого розряду в 0, а вихідний сигнал цього тригера переводить тригер 3-го розряду в 1; число на виході лічильника — 0100. П'ятий імпульс переводить молодший розряд в стан 1, не чинячи впливи на інші розряди, число на виході — 0101.

Рисунок 42 - Чотирьохрозрядний лічильник імпульсів в положенні 0010

Так відбувається до тих пір, поки 15-й імпульс не встановить лічильник в стан 1111. Наступний, 16-й, імпульс повинен би встановити на виході число 10000, але оскільки в цьому лічильнику тільки чотири розряди (чотири тригери), число на виході відповідає значенням тільки чотирьох молодших розрядів, тобто 0000. Таким чином, лічильник повертається в нульовий стан і готов до нового рахунку.

При необхідності примусової установки лічильника в вихідний стан на нього поступає команда «Установка в 0» і в усіх розрядах тригери встановлюються в стан 0.

Віднімаючий лічильник будується аналогічно, але сигнал на тригер більше старшого розряду поступає не з інверсного, а з прямого виходу кожного тригера. Тригер кожного розряду змінює свій стан, коли попередній тригер переходить з стану 0 в 1. В результаті при вступі на вхід лічильника чергового імпульсу двійкове число на його виході зменшується на 1.

Лічильники, які дозволяють робити як підсумовування, так і віднімання імпульсів, що поступають, називаються реверсивними. Вони мають або два входи (один — для підсумовуваних імпульсів; інший — для імпульсів, що віднімаються), або один вхід з можливістю перемикання лічильника з режиму складання в режим віднімання, і навпаки.

Комутатор — це електронний або електромеханічний перемикач, що підключає в певному порядку різні електричні ланцюги до входу або виходу загального для них пристрою.

Комутатори складаються з елементів, що управляють, і переключають. Вони працюють за принципом крокових пристроїв на кожному кроці спрацьовує один елемент комутатора, підключаючи один з ланцюгів.

Елементом комутатора, що управляє, зазвичай є паралельний або зрушуючий регістр. Паралельний регістр отримує| від ЕОМ код номера ланцюга, який слід підключити до входу чи виходу комутатора в даний момент. Зрушуючий регістр використовують, коли черговість підключення ланцюгів відома раніше. В цьому випадку зрушуючий регістр закільцьовують, з’єднуючи вихід останнього тригера регістра з входом першого, і переводять перший тригер в стан 1. Якщо тепер подавати на регістр імпульси зрушення, то з кожним імпульсом тригери регістра будуть по черзі переходити в стан 1, тобто вихідний сигнал по черзі з'являтиметься на усіх виходах регістра. У результаті електричні ланцюги по черзі підключатимуться до входу (виходу) комутатора, причому після підключення останнього ланцюга процес повторюватиметься спочатку. Включений таким чином зрушуючий регістр називається кільцевим лічильником.

Перемикальні елементи можуть бути контактними або безконтактними.

В якості контактних перемикальних елементів найчастіше використовують електромагнітні реле, перемикальні ланцюги переміщення рухливих електричних контактів. Реле здатні перемикати ланцюги в широкому діапазоні струмів і напруги при малій потужності сигналу, що управляє. Вони незамінні при комутації дуже малих струмів (мікроампери) і напруги (мікровольти), що поступають від деяких видів датчиків. Сучасні реле малогабаритні, мають низьку вартість, працюють в широкому діапазоні температур. Їх недолік — велика інерційність (час спрацьовування — від одиниць до сотень мілісекунд).

Значно велику швидкодію мають безконтактні напівпровідникові перемикальні елементи — транзистори і тиристори (час їх перемикання складає мікросекунди). Для зменшення взаємного впливу комутованих ланцюгів як перемикальних елементів використовують польові транзистори, що мають дуже високий опір в закритому стані. Тиристори здатні перемикати дуже великі струми (до сотень ампер), але їх швидкодія нижча.

На рисунку 43 приведена схема комутатора на польових транзисторах з чотирма входами і одним виходом, керованого зрушуючим регістром.

Рисунок 43 – Безконтактний комутатор зі зрушуючим регістром

Комутатори, декілька входів, що містять, і один вихід, називаються мультиплексорами і використовуються в автоматичних системах зазвичай для почергового підключення сигналів від датчиків до входу загального для них підсилювача або аналого-цифрового перетворювача. Комутатори, що мають один вхід і декілька виходів, називаються демультиплексорами і використовуються для подачі сигналів, що управляють, на потрібний виконавчий механізм.

Розглянуті раніше технічні засоби працюють і з аналоговими, і з дискретними параметрами і сигналами. Ядро автоматичних систем — ЕОМ — працює тільки з цифровими кодами. Для об'єднання усіх цих засобів і вирішуваних ними завдань у рамках єдиної системи треба мати можливість взаємного перетворення величин. Цю задачу вирішують цифро-аналогові і аналого-цифрові перетворювачі.

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) — цей пристрій, який перетворить цифровий код в аналогову величину, яка відповідає десятковому числу — еквіваленту цього коду.

Зазвичай вихідною величиною ЦАП є електрична напруга.

Робота цифро-аналогового перетворювача заснована на двійковій системі числення. У двійковій системі числення тільки дні цифри — 0 і 1, але вона, як і десяткова система, являється позиційною, тобто «вага» кожної цифри в числі залежить від її позиції (розряду числа).

55510 = 5-10² + 5-10¹ + 5-10°.

У двійковій системі числення розряди відрізняються в 2 вражаючи в числі 111 (один-один-один) ліва одиниця (2-й розряд) в 2 рази «важче» за середню (1-й розряд), яка в 2 рази «важче» за праву (0-й розряд). Це число можна записати наступним обра-зом:

Враховуючи «ваги» розрядів, можна перетворювати числа з однієї системи числення в іншу, наприклад:

Цей принцип лежить в основі роботи цифро-аналогового перетворювача : будь-яке число в позиційній системі числення можна представити у вигляді суми творів цифр на основі системи числення в мірі, рівній номеру позиції цієї цифри в числі (т. е. номеру розряду).

На мал. 5.44 представлена схема 4-розрядного цифро-аналогового перетворювача, в якій «вага» кожного розряду визначається вибором опору R ланцюгу, що живиться від джерела напруги Епт. Управління струмом в кожному ланцюзі робиться за допомогою паралельного регістра. Підбір опорів резисторів виконаний так, що струм, що включається кожним більше старшим розрядом, удвічі більше попереднього. Усі струми додаються на опорі навантаження Кн. Напруга на нім, рівна твору Кн на суму струмів усіх включених розрядів, є вихідною величиною перетворювача.

В даному випадку на вхід ЦАП подано двійкове число 0101.Відкриті транзистори, через які течуть струми I₀ і 4*I₀. На навантаженні вони підсумовуються і створюють вихідну напругу, яке відповідає струму 5I₀ (десятковому числу 5).

Типовий цифро-аналоговий перетворювач має 12-розрядний регістр, тобто кількість різних його станів 4096. Напруга живлення перемикаючих ланцюгів зазвичай вибирається таким, щоб вихідний сигнал перетворювача змінювався від — 5,12 до +5,12 В; погрішність перетворення — близько 1 %, час перетворення двійкового коду в напругу — від одиниць до десятків мікросекунд.

Рисунок 44 - Цифро-аналоговий перетворювач (затемнені ключі закриті)

Для отримання інформації про значення технологічного параметра у вигляді числа, що виводиться операторові, зберігається в пам’яті ЕОМ або використовуваного для розрахунку і формування керуючої дії на старанний механізм, сигнал з аналогового датчика має бути перетворений в числову форму. Це робиться за допомогою аналого-цифрового перетворювача.

Аналого-цифровий перетворювач — цей пристрій, перетворюючий аналоговий сигнал в цифровий код.

Існує декілька методів аналого-цифрового перетворення, розглянемо два з них.

АЦП з проміжним перетворенням в інтервал часу (рис. 45) формує імпульс напруги, постійний по рівню, але що має тривалість, пропорційну вхідному сигналу. Принцип роботи такого перетворювача полягає в тому, що вимірювана напруга порівнюється з лінійно зростаючою напругою спеціальним генератором, що виробляється, по команді «Старт». Чим більше вимірювана напруга Uвх, тим довше наростатиме напруга генератора, поки не порівняється з вимірюваним. Момент рівності напруги визначається компаратором, що формує команду «Стоп».

Рисунок 45 – Блок-схема (а) і принцип роботи (б) АЦП з проміжним перетворенням

Інтервал часу від команди «Старт» до команди «Стоп» вимірюється шляхом підрахунку кількості імпульсів І, які поступають за цей час на вхід лічильника імпульсів. Результат підрахунку тобто код на виході лічильника, пропорційний інтервалу часу а отже, і вимірюваній напрузі.

Похибка цього перетворювача залежить від стабільності і точності генератора лінійно зростаючої напруги, а та« ж від частоти імпульсів, що заповнюють інтервал часу, і стабільності генератора цих імпульсів. Крім того, точність зави сит від чутливості компаратора.

Перевага такого АЦП — його простота, недолік — низька завадо-захищеність, у тому числі через те, що результат залежить від одномоментної ситуації — реального значення вхідної напруги у момент фіксації компаратором його рівномірно зростаючій напрузі.

Цього недоліку позбавлені слідкуючі АЦП, цифровий код на виході яких у будь-який момент відповідає реальному значенню вхідного сигналу у цей момент.

Блок-схема слідкуючого АЦП приведена на рис. 46, а. Перетворення вхідної напруги в двійковий код робиться з допомогою цифро-аналогового перетворювача, керованого реверсивним лічильником. Реверсивний лічильник, як вже вказувалося раніше, працює як на складання, так і на віднімання, тому при вступі імпульсів на його вхід код на виході лічильника може як збільшуватися, так і зменшуватися — це залежить від режиму, в який встановлений лічильник командою «Режим».

Рисунок 46 – Блок-схема (а) і графік напруг (б) слідкуючого АЦП

Напруга U₀ з виходу цифро-аналогового перетворювача подається на компаратор, до другого входу якого підведена вхідна напруга В початковий момент усі тригери лічильника встановлені в стан 0 і код на виході, наприклад, 4-розрядний лічильника — 0000. Цьому коду відповідає нульове значення напруги U₀.

З кожним імпульсом, що поступає, код лічильника і вихідна напруга ЦАП збільшуються, поки U₀ не перевищить Uвx (рис. 46, б). У цей момент спрацьовує компаратор і перемикає реверсивний лічильник, встановлюючи його в режим віднімання. З черговим імпульсом код лічильника зменшується на 1; при цьому зменьшується на одну сходинку і напругу U₀ на виході U_лин, яка знову виявляється менше вхідної напруги. Компаратор знову повертає лічильник в режим складання, і сліду до них пульс збільшує код лічильника і напругу U₀. Компаратор перемикає лічильник в режим віднімання і так далі. У результат напруги U₀ коливається біля значення вхідної напруги, як би стежачи за ним (тому така назва — «слідкуючий АЦП»).

Оскільки напруга U₀ на виході ЦАП визначається кодом лічильника і у будь-який момент воно практично дорівнює вхідній напрузі U, то код лічильника є вихідним сигналом цифрового для аналогового перетворювача.

Погрішність слідкуючого АЦП визначається точністю ЦАП, чутливістю компаратора і частотою імпульсів, які поступають на вхід лічильника: чим вище частота імпульсів, тим точніше може бути виконане перетворення, у тому числі швидкозмінної напруги. Такі аналого-цифрові перетворювачі випускаються у вигляді мікросхем; час перетворення складає декілька мікросекунд; погрішність — менше 1 %.