Digitálny analóg. Analógovo-digitálna konverzia pre začiatočníkov

Digitálno-analógové prevodníky majú statické a dynamické vlastnosti.

Statické charakteristiky DAC

Hlavné statické charakteristiky DAC sú:

· rozhodnutie;

nelinearita;

· diferenciálna nelinearita;

· monotónnosť;

konverzný faktor;

absolútne chyby v plnom rozsahu;

Relatívna chyba v celom rozsahu;

Nulový posun

absolútna chyba

Rozhodnutie je prírastok U OUT pri prevode susedných hodnôt D j , t.j. líšia sa o jednu najmenšiu platnú číslicu (EMP). Tento prírastok je krokom kvantovania. Pre binárne konverzné kódy nominálna hodnota kvantizačného kroku

h \u003d U PN / (2 N – 1),

kde U PN je nominálne maximálne výstupné napätie DAC (napätie v plnom rozsahu), N je bitová hĺbka DAC. Čím väčšia je bitová hĺbka prevodníka, tým vyššie je jeho rozlíšenie.

Presnosť v plnom rozsahu je relatívny rozdiel medzi skutočnou a ideálnou hodnotou limitu konverznej stupnice pri absencii nulového posunu, t.j.

Je to multiplikačná zložka celkovej chyby. Niekedy sa označuje zodpovedajúcim číslom EMP.

Chyba nulového posunu – Hodnota U OUT, keď sa vstupný kód DAC rovná nule. Je to aditívna zložka celkovej chyby. Zvyčajne sa uvádza v milivoltoch alebo ako percento plnej stupnice:

Nelinearita - maximálna odchýlka reálnej prevodnej charakteristiky U OUT (D) od optimálnej (obr. 5.2, riadok 2). Optimálna charakteristika sa nájde empiricky, aby sa minimalizovala hodnota chyby nelinearity. Nelinearita sa zvyčajne definuje v relatívnych jednotkách, ale v referenčných údajoch sa uvádza aj v EMP. Pre charakteristiky znázornené na obr. 5.2,

Diferenciálna nelinearita je maximálna zmena (s prihliadnutím na znamienko) odchýlky reálnej charakteristiky transformácie U OUT (D) od optimálnej pri prechode z jednej hodnoty vstupného kódu na inú susednú hodnotu. Zvyčajne sa definuje v relatívnych jednotkách alebo v EMP. Pre charakteristiky znázornené na obr. 5.2,

Monotónne prevodné charakteristiky - zvýšenie (zníženie) výstupného napätia DAC (U OUT) so zvýšením (poklesom) vstupného kódu D. Ak je diferenciálna nelinearita väčšia ako relatívny kvantizačný krok h/U PN, potom je charakteristika prevodníka nemonotónna.

Teplotná nestabilita DAC sa vyznačuje teplotné koeficienty chyby v plnej mierke a chyby nulového posunu.

Chyby plného rozsahu a posunutia nuly je možné opraviť kalibráciou (trimovaním). Nelineárne chyby nemožno odstrániť jednoduchými prostriedkami.

DAC Dynamics

Komu dynamické vlastnosti ráno DAC zahŕňajú čas vyrovnania a čas konverzie.

Pri postupnom zvyšovaní hodnôt vstupného digitálneho signálu D(t) z 0 na (2 N - 1) cez jednotku najmenšej platnej číslice tvorí výstupný signál U OUT (t) stupňovitú krivku. Táto závislosť sa zvyčajne nazýva konverzná charakteristika DAC. Pri absencii hardvérových chýb sú stredné body krokov umiestnené na ideálnej priamke 1 (pozri obr. 5.2), ktorá zodpovedá ideálnej transformačnej charakteristike. Skutočná transformačná charakteristika sa môže výrazne líšiť od ideálnej veľkosťou a tvarom krokov, ako aj ich umiestnením v súradnicovej rovine. Na kvantifikáciu týchto rozdielov existuje množstvo parametrov.

Dynamické parametre DAC sú určené zmenou výstupného signálu pri prudkej zmene vstupného kódu, zvyčajne z hodnoty „všetky nuly“ na „všetky jednotky“ (obr. 5.3).

Čas vyrovnania - časový interval od okamihu zmeny
vstupný kód (obr. 5.3, t = 0) až do posledného splnenia rovnosti:

U EXIT - U PSh | = d/2,

pričom d/2 zvyčajne zodpovedá EMP.

Rýchlosť prebehu - maximálna rýchlosť zmeny U OUT (t) počas prechodného procesu. Definované ako pomer prírastkov D U EXIT do času Dt, počas ktorého došlo k tomuto prírastku. Zvyčajne je špecifikovaný v technických špecifikáciách DAC s výstupným signálom vo forme napätia. Pre digitálno-analógové prevodníky s prúdovým výstupom tento parameter do značnej miery závisí od typu výstupného operačného zosilňovača.

Násobné DAC s napäťovým výstupom sa často uvádzajú pri jednotkovej frekvencii zosilnenia a šírke pásma výkonu, ktoré sú primárne určené vlastnosťami výstupného zosilňovača.

Na obrázku 5.4 sú zobrazené dve metódy linearizácie, z ktorých vyplýva, že metóda linearizácie na získanie minimálnej hodnoty D l, znázornená na obr. 5.4, ​​​​b, umožňuje znížiť chybu D l na polovicu v porovnaní s metódou linearizácie hraničnými bodmi (obr. 5.4, a).

Pre digitálno-analógové prevodníky s n bitmi v ideálnom prípade (pri absencii chýb prevodu) analógový výstup U OUT zodpovedá vstupnému binárnemu číslu takto:

U EXIT \u003d U OP (a 1 2 -1 + a 2 2 -2 + ... + a n 2 -n),

kde U OP je referenčné napätie DAC (zo vstavaného alebo externého zdroja).

Pretože ∑ 2 -i \u003d 1 - 2 -n, potom so zapnutými všetkými bitmi je výstupné napätie DAC:

U OUT (a 1 ... an n) \u003d U OP (1 - 2 -n) \u003d (U OP / 2 n) (2 n - 1) \u003d D (2 n - 1) \u003d U PN,

kde U PN je napätie v plnom rozsahu.

Keď sú teda všetky bity zapnuté, výstupné napätie digitálno-analógového prevodníka, ktorý v tomto prípade tvorí U PN, sa líši od hodnoty referenčného napätia (U OP) o hodnotu najmenšej platnej číslice prevodník (D), definovaný ako

D \u003d U OP /2 n.

Keď je zapnutá ľubovoľná i-tá číslica, výstupné napätie DAC sa určí zo vzťahu:

U OUT / a i \u003d U OP 2 -i.

Digitálno-analógový prevodník prevádza digitálny binárny kód Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 na analógovú hodnotu, zvyčajne napätie U OUT. alebo prúd I OUT. Každá číslica binárneho kódu má určitú váhu i-tej číslice dvakrát väčšiu ako je hmotnosť (i-1)-tej. Činnosť DAC možno opísať nasledujúcim vzorcom:

U OUT \u003d e (Q 1 1 + Q 2 2 + Q 3 4 + Q 4 8 + ...),

kde e je napätie zodpovedajúce hmotnosti najmenej významného bitu, Q i je hodnota i-tého bitu binárneho kódu (0 alebo 1).

Napríklad číslo 1001 zodpovedá:

U OUT = e (1· 1 + 0 · 2 + 0 · 4 + 1 · = 9 · e,

a číslo 1100 zodpovedá

U OUT = e (0· 1 + 0 · 2 + 1 · 4 + 1 · = 12 · e.

Analógové signály sa vyznačujú mnohými technickými parametrami, jedným z nich je napríklad, že ľudské ucho počuje signály s frekvenciou v rozsahu od 1 do 22 kHz, zatiaľ čo viditeľné svetlo obsahuje frekvencie merané v miliardách hertzov. Príkladom záznamu analógového signálu je gramofónová platňa. Fotografie, najprv čiernobiele a potom farebné, sú tiež príkladom záznamu analógového signálu.

Takmer vždy stojí, po ktorom je užitočné povedať pár slov, aby bola úloha, ktorú zvažované zariadenia riešia, jasnejšia.

ADC konvertuje na digitálne. Zvyčajne je číslo, ktoré zodpovedá veľkosti signálu v čase jeho merania, reprezentované binárnym kódom. Každé meranie sa vykonáva pri určitej frekvencii, ktorá sa nazýva kvantizačná frekvencia.

Teoreticky podložená minimálna kvantizačná frekvencia poskytujúca neskreslenú obnovu signálu. Tento signál je bez skreslenia a musí byť na výstupe obnovený digitálno-analógovým prevodníkom. Kvantizačná frekvencia musí byť aspoň dve maximálne frekvencie konvertovaného signálu. Napríklad pre neskreslenú konverziu zvukového signálu stačí kvantizačná frekvencia 44 kHz.

Teraz je jasné, že má na vstupe sekvenciu binárnych kódov, ktoré musí previesť na zodpovedajúci analógový signál.

Spoľahlivosť v prevádzke a životnosť sú tiež zahrnuté v ukazovateľoch, ale tieto parametre nezávisia od princípu činnosti DAC, ale skôr od základne prvkov a kvality konštrukcie. Bez ohľadu na princíp prevodu sa digitálno-analógové prevodníky vyznačujú vlastnosťami, ako je dynamický rozsah, presnosť prevodu a časovanie.

Dynamický rozsah je určený pre vstup a výstup DAC ako pomer maximálnej vstupnej (výstupnej) hodnoty k minimálnej vstupnej (výstupnej) hodnote.

Jedným z časových parametrov je prevrátená hodnota kvantizačnej frekvencie, nazývaná kvantizačná perióda. Je jasné, že pre DAC túto hodnotu nastavuje ADC, s ktorým bol signál konvertovaný.

Hlavnou hodnotou, ktorá charakterizuje rýchlosť DAC, je čas konverzie. Tu si musíte vybrať: dlhší čas prevodu - presnejší DAC, ale nižšia jeho rýchlosť a naopak.

Uvažujme o niektorých princípoch digitálneho prevodu na analógový bez uvádzania vzorcov a diagramov. Existujú dva princípy konverzie - sériový a paralelný.

Digitálno-analógový prevodník prevádza sekvenciu digitálnych kódov na vstupe na sekvenciu pravouhlých impulzov na výstupe. Šírka impulzu a následný interval do ďalšieho impulzu sa určuje v závislosti od hodnoty prijatého binárneho kódu. Preto sa na výstupe dolnopriepustného filtra získava analógový signál z impulzov vstupujúcich na vstup s premenlivou periódou.

Paralelná konverzia sa vykonáva napríklad pomocou rezistorov zapojených paralelne k stabilnému zdroju napájania. Počet odporov sa rovná bitovej hĺbke kódu vstupujúceho na vstup. Hodnota odporu vo vysokom ráde je 2-krát menšia ako v predchádzajúcom nízkom ráde. V obvode každého odporu je kľúč. Vstupný kód ovláda klávesy - kde 1, prechádza prúd. Preto v obvodoch bude prúd určený hmotnosťou výboja a digitálno-analógový prevodník na výstupe má celkový prúd, ktorý bude zodpovedať zaznamenanému binárnemu kódu.

DAC s moduláciou šírky impulzu

Spínaný kondenzátor sériový DAC

Paralelné DAC

• DAC so súčtom hmotnostného prúdu

  DAC na súčasných zdrojoch

  Tvorba výstupného signálu vo forme napätia

  Paralelný DAC so spínaným kondenzátorom

  DAC so súčtom napätia

Rozhrania digitálno-analógových prevodníkov

• DAC so sériovým vstupným dátovým rozhraním

  DAC s paralelným vstupným dátovým rozhraním

Aplikácia DAC

• Manipulácia s podpísanými číslami

  Multiplikátory a deliče funkcií

  DAC atenuátory a integrátory

  Systémy priamej syntézy digitálneho signálu

parametre DAC

Digitálno-analógové prevodníky

Digitálno-analógový prevodník (DAC) je určený na konverziu čísla, zvyčajne definovaného ako binárny kód, na napätie alebo prúd úmerné hodnote digitálneho kódu. Obvody digitálno-analógových prevodníkov sú veľmi rôznorodé. Na obr. 1 je znázornená klasifikačná schéma DAC podľa vlastností obvodu. Okrem toho sú integrované obvody digitálno-analógových prevodníkov klasifikované podľa nasledujúcich kritérií:

• Podľa typu výstupného signálu: s prúdovým výstupom a napäťovým výstupom

  Podľa typu digitálneho rozhrania: so sériovým vstupom a s paralelným vstupom vstupného kódu

  Podľa počtu DAC na čipe: jednokanálový a viackanálový

  Podľa rýchlosti: stredná a vysoká rýchlosť

Ryža. 1. Klasifikácia DAC

DAC so súčtom hmotnostného prúdu

Väčšina paralelných obvodov DAC je založená na sčítaní prúdov, pričom sila každého z nich je úmerná hmotnosti digitálneho bitu a mali by sa sčítať iba prúdy bitov, ktorých hodnoty sa rovnajú 1. Nech napr. napríklad je potrebné previesť binárny štvorbitový kód na analógový prúdový signál. Pre štvrtú, najvýznamnejšiu číslicu (SZR) sa váha bude rovnať 2 3 = 8, pre tretiu číslicu - 2 2 = 4, pre druhú - 2 1 = 2 a pre juniorov (MSR) - 2 0 =1. Ak je hmotnosť MZR ja MZR \u003d 1 mA, potom ja SZR = 8 mA a maximálny výstupný prúd meniča ja out.max =15 mA a zodpovedá kódu 1111 2 . Je jasné, že tomu bude zodpovedať napríklad kód 1001 2 ja výstup = 9 mA atď. Preto je potrebné postaviť obvod, ktorý zabezpečí generovanie a spínanie podľa daných zákonov presných hmotnostných prúdov. Najjednoduchší obvod, ktorý implementuje tento princíp, je znázornený na obr. 3.

OD odpory rezistorov sú zvolené tak, aby pri zatvorených klávesoch cez ne tiekol prúd zodpovedajúci hmotnosti výboja. Kľúč musí byť zatvorený, keď sa zodpovedajúci bit vstupného slova rovná jednej. Výstupný prúd je daný

Pri vysokej kapacite DAC musia byť odpory s nastavením prúdu prispôsobené s vysokou presnosťou. Najprísnejšie požiadavky na presnosť sú kladené na odpory vysokého rádu, pretože šírenie prúdov v nich by nemalo prekročiť prúd najmenej významnej úrovne. Preto šírenie odporu v k-tá číslica musí byť menšia ako

R/R=2 – k

Z tejto podmienky vyplýva, že rozptyl odporu odporu, napríklad na štvrtej číslici, by nemal presiahnuť 3% a na 10. číslici - 0,05% atď.

Uvažovaná schéma má napriek svojej jednoduchosti celý rad nedostatkov. Po prvé, pre rôzne vstupné kódy bude prúd odoberaný zo zdroja referenčného napätia (REF) odlišný, čo ovplyvní hodnotu výstupného napätia REF. Po druhé, hodnoty odporu váhových odporov sa môžu tisíckrát líšiť, a preto je veľmi ťažké implementovať tieto odpory do polovodičových integrovaných obvodov. Navyše odpor rezistorov vysokého rádu vo viacbitových DAC môže byť úmerný odporu uzavretého kľúča, čo povedie k chybe prevodu. Po tretie, v tejto schéme sa na otvorené spínače aplikuje značné napätie, čo komplikuje ich konštrukciu.

Tieto nedostatky odstraňuje DAC obvod AD7520 (domáci analóg 572PA1), vyvinutý spoločnosťou Analog Devices v roku 1973, ktorý je v súčasnosti v podstate priemyselným štandardom (vyrába sa podľa neho veľa sériových modelov DAC). Táto schéma je znázornená na obr. 4. Ako kľúče sa tu používajú tranzistory MOS.

Ryža. 4. DAC obvod so spínačmi a maticou konštantnej impedancie

V tejto schéme sa nastavenie váhových koeficientov krokov prevodníka uskutočňuje postupným delením referenčného napätia pomocou odporovej matice s konštantnou impedanciou. Hlavným prvkom takejto matice je delič napätia (obr. 5), ktorý musí spĺňať nasledujúcu podmienku: ak je zaťažený odporom R n, potom jeho vstupná impedancia R v musí mať aj hodnotu R n. Faktor oslabenia obvodu = U 2 /U 1 pri tomto zaťažení by mala mať danú hodnotu. Keď sú splnené tieto podmienky, získame nasledujúce výrazy pre odpory:

v súlade s obr.4.

Keďže v akejkoľvek polohe prepínačov S k pripájajú spodné svorky rezistorov na spoločnú obvodovú zbernicu, zdroj referenčného napätia je zaťažený konštantným vstupným odporom R v = R. To zaisťuje, že referenčné napätie zostane nezmenené pre akýkoľvek vstupný kód DAC.

Podľa obr. 4 sú výstupné prúdy obvodu určené vzťahmi

a vstupný prúd

Pretože spodné svorky rezistorov 2 R matice v akomkoľvek stave spínačov S k sú pripojené k spoločnej obvodovej zbernici cez nízky odpor uzavretých spínačov, napätia na spínačoch sú vždy malé, v rozmedzí niekoľkých milivoltov. To zjednodušuje konštrukciu spínačov a ich ovládacích obvodov a umožňuje použitie referenčného napätia zo širokého rozsahu, vrátane rôznej polarity. Pretože výstupný prúd DAC závisí od U op lineárne (pozri (8)), prevodníky tohto typu možno použiť na násobenie analógového signálu (privedením na vstup referenčného napätia) digitálnym kódom. Tieto DAC sú tzv násobenie(MDAC).

Presnosť tohto obvodu je znížená skutočnosťou, že pre DAC s vysokou bitovou hĺbkou je potrebné prispôsobiť odpory R 0 kľúčov s vybíjacími prúdmi. Toto je obzvlášť dôležité pre kľúče vysokého rádu. Napríklad v 10-bitovom AD7520 DAC sa kľúčové MOSFETy šiestich najvýznamnejších bitov líšia v oblasti a ich odporu. R 0 stúpa podľa binárneho kódu (20, 40, 80, ..., 640 ohmov). Týmto spôsobom sa vyrovnávajú úbytky napätia na spínačoch prvých šiestich číslic (až do 10 mV), čo zabezpečuje monotónnosť a lineárnosť prechodovej odozvy DAC. 12-bitový DAC 572PA2 má diferenciálnu nelinearitu až 0,025 % (1 LSM).

Digitálno-analógový prevodník (DAC) je určený na automatickú konverziu (dekódovanie) vstupných hodnôt reprezentovaných číselnými kódmi na ich zodpovedajúce hodnoty plynule sa meniacich v čase (t.j. analógové) hodnoty. Inými slovami, DAC vykonáva spätnú konverziu v porovnaní s ADC. Výstupné fyzikálne veličiny ADC najčastejšie predstavujú elektrické napätia a prúdy, ale môžu to byť aj časové intervaly, uhlové posuny a pod.. V automatizačnom systéme s počítačom je výhodnejšie spracovať (previesť a preniesť) digitálny signál, ale pre človeka (operátora) je známejšie a pohodlnejšie vnímať analógové signály zodpovedajúce hodnotám číselných kódov. Pomocou ADC sa do počítača zadávajú informácie a pomocou DAC sú výstupom z počítača na ovplyvnenie ovládaného objektu a ľudského vnímania.

Obvody DAC zvyčajne používajú reprezentáciu binárneho čísla pozostávajúceho z niekoľkých bitov, ako súčet mocnín čísla 2. Každý bit (ak je v ňom zapísaný jeden) sa prevedie na analógový signál úmerný číslu 2 k mocnine rovnajúcej sa na číslo bitu mínus jedna.

Na obr. 4.38 je znázornený jednoduchý obvod DAC, ktorý je založený na odporovej matici - súprave odporov, ktoré sú pripojené na vstup operačného zosilňovača s kľúčmi ovládanými zodpovedajúcimi bitmi binárneho čísla. Ako spínače možno použiť triódy (napr. MOSFET). Ak je v tomto bite zapísaná 1, kľúč je zatvorený, ak 0, je otvorený.

Potreba použiť operačný zosilňovač je spôsobená tým, že výstupný signál v DAC je analógový. Vstupné aj výstupné signály operačného zosilňovača sú prúd jednosmerného napätia (v zmysle nemennej polarity).

Zosilnenie operačného zosilňovača sa rovná pomeru odporu rezistora R o.s v spätnoväzbovom obvode k odporu rezistora na vstupe zosilňovača, ktorý, ako je vidieť z obr. 4.38, každá číslica má svoj vlastný význam. Prevodové koeficienty K =- U von / U op sa pre každú číslicu konvertovaného binárneho čísla (ak je v tejto číslici zapísaná 1) rovnajú: K 0 =R o.s / R 0 ;K 1 = 2R o.s / R 0 ;K 2 = 4R o.s / R 0 ;
K 3 = 8R o.s / R 0 Výstupné napätie DAC

U von =- U op ( K 3 + K 2 + K 1 + K 0) =

= - U op ( R o.s / R 0)(8X 3 + 4X 2 + 2X 1 + X 0),

kde X nadobúda hodnotu 1 alebo 0, podľa toho, čo je zapísané v danom bite binárneho čísla.

Ryža. 4.38. Schéma digitálneho analógového signálu
odporový maticový prevodník

Takto sa štvormiestne binárne číslo premení na napätie U výstup, ktorý môže nadobudnúť 16 možných hodnôt od 0 do 15D u námestí, kde D u kv - krok kvantovania.

Na zníženie kvantizačnej chyby je potrebné zvýšiť počet binárnych číslic DAC. Pri výrobe integrovaných obvodov DAC podľa tejto schémy je veľmi ťažké vyrobiť vysoko presné odpory s odpormi, ktoré sa navzájom líšia v desiatkach a stovkách krát. Okrem toho referenčné napätie U op sa líši v závislosti od stavu kláves, preto je potrebné použiť zdroj s nízkym vnútorným odporom.

Obvod DAC znázornený na obr. 4.39 neobsahuje tieto nedostatky. V ňom sú váhové koeficienty každej číslice dané postupným delením referenčného napätia pomocou odporovej matice typu R- 2R, čo je viacčlánkový delič napätia.

V tomto obvode DAC sa používajú dvojpolohové spínače, ktoré spájajú odpory 2 R buď na vstup operačného zosilňovača (na 1 v tomto bite), alebo na spoločný neutrálny vodič. Vstupná impedancia odporovej matice nezávisí od polohy kláves. Koeficient prenosu medzi susednými maticovými uzlami je 0,5. Výstupné napätie

U von =- U op ( R/16R)(X 1 + 2X 2 + 4X 3 + 8X 4).

Ryža. 4.39. Schéma digitálno-analógového prevodníka
na báze odporovej matrice R-2R

Najväčší vplyv na chybu DAC majú odchýlky odporov rezistorov od ich nominálnych hodnôt, ako aj skutočnosť, že odpor skutočného kľúča v zatvorenom stave nie je rovný nekonečnu a otvorený stav sa nerovná nule. Vyrobené odporové matice majú relatívnu chybu asi stotín percenta, t.j. sú veľmi presné.

4.5.2. Analógovo-digitálne paralelné kódovacie prevodníky

Analógovo-digitálny prevodník (ADC) je určený na automatický prevod (meranie a kódovanie) priebežne sa meniacich časových (t.j. analógových) hodnôt na zodpovedajúce hodnoty číselných kódov. V tomto prípade slovo „číslica“ označuje binárny kód. Ak hovoríme o digitálnom zariadení na záznam a reprodukciu zvuku alebo o digitálnej telefónii, znamená to, že neustále sa meniaci zvukový signál sa zaznamenáva alebo prenáša digitalizovaný, t. vo forme binárnych (binárnych) kódov.

V závislosti od spôsobu prevodu sa ADC delia na sériové, paralelné a sériovo-paralelné.

Najrýchlejšie ADC sú paralelného typu. Konverzia analógového signálu na kód v nich sa vykonáva v jednom kroku, ale takéto ADC vyžadujú niekoľko komparátorov. Vstupné napätie sa súčasne porovnáva vo všetkých komparátoroch s niekoľkými referenčnými napätiami. Paralelné ADC majú viac prvkov ako sériové ADC.

Zvážte fungovanie paralelného trojbitu
ADC (obr. 4.40).

Ryža. 4.40. Schéma paralelného trojbitového ADC

Tri binárne číslice môžu predstavovať osem čísel - od 0 do 7. Preto sa na porovnanie vstupného napätia s referenčnými napätiami získanými pomocou odporového deliča používa sedem komparátorov. Každý komparátor dostane signál 0, ak je vstupné napätie menšie ako referenčné, a 1 inak.

Stavy komparátorov a ich zodpovedajúce binárne kódy sú uvedené v tabuľke. 4.12. Prevodník kódov vydáva binárne trojmiestne číslo. Konverzný čas paralelných ADC môže byť niekoľko desiatok nanosekúnd, čo je stokrát rýchlejšie ako pri sériových ADC.

Tabuľka 4.12

Závislosť digitálneho kódu od vstupného napätia

Relatívna hodnota vstupného napätia U=U v /U op	Stav porovnávačov	Binárne číslo-kód
U< 0,5
0,5 £ U< 1,5
1,5 £ U< 2 ,5
2,5 £ U < 3,5
3,5 £ U< 4,5
4,5 £ U< 5 ,5
5,5 £ U<6 ,5
6,5 £ U

4.5.3. Analógovo-digitálne prevodníky pre sériové kódovanie

Na obr. Obrázok 4.41 zobrazuje obvod ADC sériového typu.

Ryža. 4.41. Schéma analógovo-digitálneho
sériový prevodník

Na príkaz "Štart" digitálny stroj CA generuje sekvenciu binárnych čísel, ktoré sa privádzajú na vstup digitálno-analógového prevodníka DAC, ktorý generuje napätie U DAC zodpovedajúci každému vstupnému binárnemu signálu. Toto napätie (neustále stúpajúce, zatiaľ čo CA) sa privádza na jeden zo vstupov komparátora K, na ktorého druhom vstupe je privádzané vstupné napätie U Vstupný komparátor porovnáva tieto dve napätia a vydáva signál, keď sú rovnaké. Na tento signál CA zastaví, a na jeho výstupe binárny kód zodpovedajúci U Konverzia v sériovom ADC teda prebieha v stupňovitom režime. Výstupná hodnota v jednotlivých krokoch (cykloch), t.j. sa postupne približuje k nameranej hodnote. Preto sériové ADC strávia veľa času každou konverziou analógového signálu. Na zvýšenie ich rýchlosti sa používa metóda bitového vyváženia. Schéma znázorňujúca túto metódu je znázornená na obr. 4.42.

Ryža. 4.42. Schéma analógovo-digitálneho prevodníka
bitovo vyvážené

Úlohu digitálneho stroja plní register Rg so snímačom hodinových impulzov DTI. Výstupný kód je načítaný signálom obvodu pripravenosti dát SRS, ktorý je daný pri príjme signálu z komparátora K o rovnosti vstupného napätia U vstup a napätie U DAC Činnosť komparátora je synchronizovaná s impulzmi DTI.Tieto impulzy postupne prekladajú číslice registra Rg do stavu 1. Prenos začína od vysokého rádu a nízke zostávajú v stave 0. V tomto prípade DAC generuje zodpovedajúce napätie, ktoré sa porovnáva v komparátore K so vstupom. Ak U dac > U potom sa na príkaz komparátora nastaví najvýznamnejší bit do stavu 0; ak U dac< Hm, potom zostane na najvýznamnejšej číslici 1. Potom sa ďalšia číslica v senioráte prenesie do stavu 1 Rg a napätia sa znova porovnajú U dac a U Cyklus sa opakuje, kým sa nezaznamená rovnosť špecifikovaných napätí, keď sa jedna z nižších číslic prenesie do stavu 1. Potom SRS dáva signál o vydaní výstupného kódu. Počet porovnávacích cyklov v takomto ADC sa bude rovnať počtu bitov výstupného kódu.

4.6. Programovateľné logické polia a integrované obvody

Organizácia ROM a programovateľných logických polí (PLM) má veľa spoločného. Ukážme všeobecný prístup ku konštrukcii týchto schém na príklade.

Predpokladajme, že je potrebné postaviť zariadenie, ktoré poskytuje signál na výstupe Y1 pri zadávaní kódov 000, 001; pri východe Y2 s kódmi 010, 100, 110; pri východe Y3 s kódmi 011, 101, 110, 111. Kódy privedené na vstup zariadenia možno považovať za adresové kódy jednobitových ROM buniek, z ktorých sa čítacie jednotky cez prvok OR dostávajú na jeden z výstupov. Y i. Zvážte vzťah medzi adresami a údajmi – funkciami
(Tabuľka 4.13).

Na obr. 4,43, a je prezentovaný obvod ROM pozostávajúci z dekodéra adries na logických prvkoch a pamäťových prvkov vo forme diódovo-odporových obvodov, v ktorých obvodoch sú zahrnuté prepojky. Premenné x3, X2, X1 sa považujú za kódy adries rôznych pamäťových buniek. Z tabuľky. 4.13 je vidieť, že v dekodéri sú na určitých adresách vybudené zodpovedajúce výstupné zbernice, ktoré musia byť kombinované na jednom z výstupov obvodu: Y1, Y2, Y3. ALEBO prvky, ktoré tvoria signály Y i, sú neúplným kódovačom.

Tabuľka 4.13

Pravdivostná tabuľka dekodéra

Adresa	Vstupy	výstupy
	x3	X2	XI	Y1	Y2	Y3
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7

Na obr. 4,43, b rovnaká schéma ROM je prezentovaná vo forme dvoch matíc. Matrix A1 je kompletný lineárny dekodér s ôsmimi výstupmi. Každá zvislá čiara v A1 zodpovedá prvku AND s tromi vstupmi, z ktorých každý implementuje jednu z kombinácií vstupných premenných x3, X2, X1. Matrix A2 je neúplný kódovač.

Ryža. 4.43. Matica ROM ako základ PLA

Každá vodorovná čiara v A2 zodpovedá osemvstupovému prvku OR. Vytvorenie potrebných signálov na každom z jeho vstupov je označené bodom v priesečníku zvislej čiary matice A1 a horizontálna čiara matice A2.

Schémy znázornené na obr. 4.43 je možné realizovať ako kombinačný obvod na PLA (obr. 4.44).

Ryža. 4.44. Kombinovaná schéma na PLM

Porovnanie dvoch obvodov, ktoré vykonávajú rovnaké funkcie (pozri obr. 4.43, b a 4.44), vidíme, že obvod implementovaný vo forme PLA je jednoduchší. Matrix A1 v ROM je to kompletný, napevno kódovaný dekodér, v matici PLA je to minterms programovateľný pre funkcie. Je obvyklé určovať náklady na zariadenie podľa plochy polovodičového kryštálu obsadeného obvodom. Obvody vyrobené na PLA teda poskytujú vyšší stupeň integrácie a tým rozširujú funkčnosť mikroobvodu.

KAPITOLA 5
VÝPOČTOVÉ NÁSTROJE NA SPRACOVANIE INFORMÁCIÍ V AUTOMATICKÝCH SYSTÉMOCH

5.1. Mikroprocesory v systémoch automatizácie textilnej výroby

Digitálne mikroobvody už dosiahli vysoký výkon pri prijateľnej spotrebe prúdu. Najrýchlejšie z digitálnych obvodov majú rýchlosť spínania rádovo 3 - 5 ns. V týchto mikroobvodoch je spotreba prúdu priamo úmerná rýchlosti spínania logických brán v mikroobvode.

Ďalším dôvodom širokého používania mikroprocesorov bolo, že mikroprocesor je univerzálny mikroobvod, ktorý môže vykonávať takmer akúkoľvek funkciu. Univerzálnosť poskytuje široký dopyt po týchto mikroobvodoch, čo znamená sériovú výrobu. Náklady na mikroobvody sú nepriamo úmerné ich hromadnej výrobe, to znamená, že mikroprocesory sa stávajú lacnými mikroobvodmi a tým ešte viac zvyšujú dopyt.

Všetky uvedené vlastnosti sa v najväčšej miere prejavujú u jednočipových mikropočítačov alebo, ako sa častejšie nazývajú podľa oblasti ich použitia: mikrokontrolérov. V mikrokontroléroch sú všetky komponenty počítača kombinované na jednom čipe: mikroprocesor (často nazývaný jadro mikrokontroléra), RAM, ROM, časovače a vstupno-výstupné porty.

Pri prechode na integrovanú automatizáciu technológií textilnej výroby a vzniku prostriedkov na jej implementáciu v podobe špecializovaných mikroprocesorových riadiacich subsystémov (MPCS) vyvstala otázka viacčlennej regulácie množstva parametrov. To si vyžadovalo riešiť otázky identifikácie technologických procesov, ich vzťahu a ovládateľnosti podľa parametrov navrhnutých technológmi ako regulovaných. Pomocou MPSU v komplexnej automatizácii textilnej výroby možno vyriešiť nasledujúce hlavné úlohy.

1. Informácie a meranie, poskytovanie zberu rozsiahlych informácií; odolnosť proti hluku; nevyhnutné spracovanie štatistických údajov, softvérová korekcia chýb merania, automatická diagnostika a autokalibrácia meracieho systému. Programovateľná logika prevádzky MPSU zároveň poskytuje flexibilitu rekonfigurácie a umožňuje zvýšiť funkcie systému počas modernizácie bez výrazných zmien obvodov.

2. Regulácia technologických parametrov a režimov prevádzky zariadení, ktoré umožňujú udržiavať parametre regulované technológmi na danej hodnote alebo ich meniť tak, aby spĺňali optimalizačné podmienky v systémoch viacnásobného riadenia, rýchlosť v čase, energiu a ukazovatele kvality. V každom prípade je kvalita regulácie určená spoľahlivosťou meraní a prijatými informáciami.

3. Riadenie prevádzkových režimov technologických zariadení a robotiky, realizované najmä vo forme auto-operátorov alebo auto-manipulátorov, ktoré vykonávajú operácie, napríklad nakladanie a vykladanie balíkov vlákien, snovacích valcov a tkáčskych trámov, odoberanie a inštalácia cievok na cievky a spriadacie stroje, plnenie zvlákňovacích miest kazetami, spájanie pások a uzlovanie atď.

Koordináciu práce všetkých prostriedkov riadenia technologických zariadení, vrátane regulácie tokov signálov v čase a priestore, ich spracovania, vykonáva centrálna riadiaca jednotka. Moderné centrálne riadiace zariadenia sú elektronické a delia sa na univerzálne využívajúce mikropočítače a špecializované využívajúce mikrokontroléry, mikroprocesory a logické obvody.

Uplatnením princípu programového riadenia v automatických riadiacich systémoch a zberu údajov o stave systémov v kombinácii s mikroprocesormi sa výrazne zvýšila ich funkčnosť, zabezpečila sa väčšia flexibilita, znížila sa cena a veľkosť, zvýšila sa spoľahlivosť, odolnosť voči nepriaznivým podmienkam prostredia a iné výkonové charakteristiky.

Mikroprocesory a na nich založené mikrokontroléry majú široké uplatnenie v digitálnych meracích prístrojoch a systémoch, ktoré zjednodušujú zadávanie a výstup údajov, varovných signálov alebo príkazov na displeji, ako aj automatické škálovanie týchto parametrov. Mikroprocesory dokážu zabezpečiť samokontrolu a samokalibráciu, kontrolu konzistencie dát, komunikáciu s mikropočítačmi alebo počítačom riadenými prístrojmi a automatické spriemerovanie nameraných hodnôt. Mikroprocesory a mikrokontroléry na nich založené však majú menšie množstvo štandardného softvéru, rad periférnych zariadení a možností rozhrania ako mikropočítače.

Mikroprocesory našli uplatnenie aj v termináloch, mikropočítačových sieťach, moduloch na prepínanie správ, opakovačoch, systémoch na ukladanie dát, kódovacích a dekódovacích zariadeniach, prenosných komunikačných systémoch, bezpečnostných strážach a modemoch.

Mikroprocesory sa používajú v systémových jednotkách mikropočítačov, I/O ovládačoch a iných periférnych zariadeniach. Mikrokontroléry v periférnych zariadeniach vám umožňujú vykonávať mnoho úloh na periférii, pričom zaťažujú centrálny procesor na vykonávanie iných úloh.

Mikroprocesory, mikrokontroléry a mikropočítače sa používajú v textilných strojoch: v systémoch na kontrolu údajov, v závodoch na kontrolu kvality, v automatických vážiacich a dávkovacích systémoch, na riadenie uzlov/strojov, detekcia zvlnenia, ovládače, ktoré riadia jednotlivé operácie, napríklad napätie nití, pások, látok , atď., triediace zariadenia, nakladacie a vykladacie zariadenia, terminály a automatické diagnostické zariadenia.

Treba si uvedomiť, že pri riadení technologických procesorov textilného priemyslu si relatívne veľké množstvo nastaviteľných parametrov a zložitosť riadiacich algoritmov vyžaduje použitie výkonných mikropočítačov. Mikroprocesory sa používajú v distribuovaných systémoch, v ktorých sú implementované algoritmy na riadenie objektov v teréne a pripravované dáta pre mikropočítač, čo zvyšuje spoľahlivosť systémov v podmienkach priemyselného rušenia.

V najnovších modeloch mikroprocesorov je operačný systém plne alebo čiastočne implementovaný v hardvéri na báze flash pamäte, čo optimalizuje proces riadenia priemyselných zariadení.