|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 30 31 32 33 34 35 36 ... 38 12.2. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП В КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ Совместное применение АЦП с микропроцессорами позволяет строить интеллектуальные контрол^>но-измерительные системы, широко применяемые в самых разных областях народного хозяйства. Такие системы, как электронные весы, цифровые вольтметры, устройства контроля качества продукции, не только значительно облегчают труд людей, но и способствуют решению социальных противоречий между сферой обслуживания и контроля, с одной стороны, и сферой потребления и производства - с другой. Интеллектуальные системы взвешивания и измерения позволяют исключить колебания результатов измерения и контроля в зависимости от настроения и симпатий, например, продавца и контролера. На-рис. 12.2 показана структурная схема электронного измерителя массы. Заменив датчик аналогового сигнала, подключаемый к выводу 47 БИС К572ПА2, на датчик, например, температуры, давления, угла поворота и т. д., можно осуществить контроль измерения этих и других параметров. Перед измерением система должна быть отъюстирована для получения правильных результатов во всем диапазоне измерения массы. Для этого необходимо отрегулировать напряжение смещения нуля, т. е. установить напряжение лог. О на выходах АЦП при отсутствии нагрузки, а при максимальной нагрузке на выходах АЦП должны появиться напряжения лог. 1. Для регулировки напряжения смещения нуля устанавливается максимальный коэффициент передачи ОУ записью напряжения лог. 1 в младший значащий разряд' ЦАП1. Затем на двухполярный ЦАП2 подается напряжение лог. 1 в младший значащий разряд и поочередно устанавливается напряжение лог. О и лог. 1 в знаковом разряде. В зависимости от того, какой знак обеспечивает уменьшение значения выходного цифрового слова АЦП, такой и записывается в знаковый разряд входного регистра ЦАП2. Затем методом последовательного приближения (см. гл. 11) увеличивается абсолютное значение выходного напряжения ЦАП2 до получения на выходе АЦП напряжений лог. О во всех разрядах. Таким образом компенсируется напряжение смещения нуля, вносимое всеми компонентами схемы. Затем микропроцессор выполняет процедуру регулировки шкалы, т. е. при максимальном грузе на весах регулируется коэффициент передачи ОУ так, чтобы на выходах АЦП установились уровни лог. 1. Для этого также методом Груз YnpoS/reme и адрес  Рис. 12.2. Структурная схема электронных весов последовательного приближения увеличивается содержимое внутренних запоминающих регистров ЦАП1 и коэффициент передачи ОУ уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут требуемый код на выходе АЦП. Показанное включение ЦАП1 обеспечивает регулировку коэффициента передачи от 1 до 4-10. Если требуется регулировка коэффициента передачи в диапазоне от О до 1, то необходимо ЦАП1 включить не в цепь ОС ОУ, а на его входе (см. гл. 9). Описанная структурная схема универсальна и может быть положена в основу автоматического' цифрового вольтметра. Цифровые вольтметры представляют собой разновидность АЦП, но с преобразованием выходной информации в 1десятичный цифровой код. Это необходимо для работы непосредственно на выпускаемые серийно семисегментныесветоиндикаторы. ПросГейший цифровой вольтметр на базе БИС К572ПВ2 был описан в гл. П. Для работы такого цифрового вольтметра с максимальной точностью необходима его исходная на1стройка, которая выполняется вручную с помощью внешних потенциометров. Чтобы получить автоматический режим настройки и переключения диапазонов измерения, можно подключить БИС К572ПВ2 к микропроцессору, как это было показано выше на примере БИС КИ13ПВ1. Если точность БИС К572ПВ2 недостаточна, то автоматический цифровой вольтметр' можно спроектировать из набора БИС. Существуют два основных типа таких структур: с цифровой ОС и с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Первый тип цифрового вольтметра по своей структуре аналогичен показанному на рис. 12.2. В цифровом вольтметре второго типа неизвестное входное напряжение преобразуется в импульс, длительность которого пропорциональна входному напряжению. К выходу преобразователя подключен счетчик, работающий на цифровой индикатор. Одновременно с началом импульса преобразователя включается счетчик, который подсчитывает подаваемые на него тактовые импульсы. В счетчике образуется цифровой эквивалент входного напряжения, как это было описано для интегрирующего АЦП в гл. 11. Счетчик должен иметь на выходе десятичный цифровой код для управления световыми индикаторами. 12.3. ПРИМЕНЕНИЕ АЦП В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Передача информации в цифровой форме н'аходит все большее применение: от современной телефонии до спутниковой связи. Аппаратура, в которой осуществлен переход к цифровой передаче информации, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с аппаратурой, использующей аналоговые сигналы для передачи информации. При цифровой передаче упрощается объединение многих независимых сигналов в пакеты для удобства ком- мутации. Цифровые каналы связи практически нечувствительны к эффекту накопления искажений при ретрансляции, обычно представляющему серьезную проблему в аналоговых системах связи. Кроме того, появляется возможность достижения очень малых вероятностей ошибок передачи и высокой достоверности воспроизведения переданных сообщений путем обнаружения и исправления ошибок. Цифровые системы связи благодаря возможной аппаратурной избыточности за счет применения микропроцессорных БИС могут легко перестраиваться, что обеспечивает повышение защищенности передаваемой информации от несанкционированного ее использования. Ниже рассмотрен пример построения системы малощумящей оперативной связи и многопрограммной трансляции музыкальных передач в некоторых самолетах гражданской авиации. Цифровые сигналы передаются в виде последовательного кода. Они преобразуются в параллельную форму на, приемном конце системы перед подачей в ЦАП. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму и обратно в аналоговую может на первый взгляд показаться ненужным усложнением. Преимущество использования цифровой передачи состоит в повышении помехозащищенности передаваемой информации. Если же передавать аналоговые сигналы, то ухудшается соотношение сигнал-шум, особенно при передаче на большие расстояния. В то же время цифровые сигналы могут быть просто восстановлены. Конечно, можно реализовать систему многопрограммной трансляции, используя только аналоговые методы передачи информации. Например, восьмиканальная аналоговая система потребует восемь каналов аналоговых сигналов, поступающих по отдельным проводам. Цифровая же система может быть реализована с использованием двухпроводной линии. Поэтому цифровая система обеспечивает более простой монтаж, меньшую массу и защиту от возможных перекрестных помех между каналами. Структурная схема самолетной цифровой системы распространения сигналов звуковой частоты показана на рис. 12.3. Звуковая запись обычно хранится на многодорожечном магнитофоне, выходы которого подключаются к аналоговому мультиплексору. Мультиплексор поочередно соединяет каждый звуковой канал с УВХ. АЦП производит оцифровку выборок и формирует последовательность цифровых слов. К каждому слову добавляется 3-разрядный адрес. Скомпонованные таким образом цифровые слова затем посылаются в двухпроводную линию связи. В оборудованном приемником кресле пассажира имеется переключатель программ. Переключатель связан с цифровой логической схемой, содержащей дешифратор адреса и преобразователь последовательного кода в параллельный. ЦАП преобразует параллельные цифровые слова в аналоговые сигналы, причем только те слова, которые сопровож- Тактовый генвратор Фортроба -телф адреса Регистр адреса
 Кнцушнцкап Последа вательныц коД Рис. 12.3. Структурная схема цифровой системы трансляции звуковых сигиалон даются 3-разрядным кодом адреса, соответствующим выбранной программе. Если последовательность цифровых выборок аналогового сигнала необходимо обработать, а не просто передать, то требуются какие-то методы запоминания выборок. Полупроводниковая память с последовательной выборкой, реализованная на основе статических сдвиговых регистров, обеспечивает удобный и относительно недорогой метод запоминания. Сдвиговые регистры памяти могут быть положены в основу многих применений цифровой обработки аналоговых сигналов. Для того чтобы заполнить память на регистрах сдвига цифровыми значениями выборок, входы записи регистра подсоединяются к параллельным цифровым шинам АЦП. Как только происходит оцифровка выборки, полученное цифровое слово переписывается по тактовому импульсу. АЦП с памятью на регистрах сдвнга могут быть использованы для организации временной задержки аналогового сигнала, выделения и хранения переходных процессов, цифрового устреднения амплитуды и временного сжатия с помощью дискретизации, для коррелирования и цифровой фильтрации в реальном масштабе времени [28]. Передача речевых сообщений на сотни километров при очень незначительном влиянии шумов становится также вполне реальной, если речевой сигнал предварительно преобразуется в цифровую форму. При передаче речевых сообщений в виде аналоговых сигналов их качество постепенно ухудшается из-за действия помех несмотря на расположенные в линии ретрансляторы. Высококачественная регенерация цифровых сигналов требует значительно меньших аппаратурных затрат, чем регенерация аналоговых сигналов. На входе тракта передачи аналоговый сигнал квантуется с регулярными интервалами и с помощью УВХ преобразуется в последовательный цифровой код, который и передается в сопровождении тактовых импульсов. На приемном конце тракта у або- нента сигналы разделяются на цифровые слова и с помощью ЦАП вновь преобразуются в аналоговый сигнал. Для использования тракта передачи цифровых сигналов несколькими абонентами цифровые потоки на передающем кенце тракта уплотняют, т. е. передают их со значительно более высокой частотой тактовых импульсов, чем частота дискретизации аналогового речевого сообщения. Для принятой максимальной частоты речевого сообщения 5 кГц частота дискретизации и тактовых импульсов обычно около 10 кГц. В то же время в канале связи пачки импульсов могут передаваться с частотой до 10 МГц. 12.4. СИСТЕМЫ СБОРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ Рассмотренные в этой главе системы дискретизации и оцифровки аналоговых сигналов представляют собой пример одноканальных систем сбора информации. В общем случае системы сбора информации являются многоканальными и выполняют задачу поочередной обработки нескольких входных аналоговых сигналов. Операцию подключения входных сигналов поочередно к одному выходному каналу выполняет мультиплексор. В системах сбора информации работа мультиплексора осуществляется под управлением логического устройства. Мультиплексор может быть настроен на последовательную или произвольную выборку каналов. В системах, где аналоговые переменные изменяются с равной скоростью, могут потребоваться выборки с различной частотой. Выбор конкретного канала осуществляется цифровым словом в двоичном коде, который выдается логическим устройством управления. Разрядность управляющего слова зависит от числа переключаемых каналов. Так, восьми-входовый мультиплексор требует 3-разрядного управляющего слова. На рис. 12.4 в качестве примера приведена структурная схма, где исследуемыми физическими параметрами могут быть давление, температура, напряженность или положение. Первым элементом в каждом аналоговом канале является датчик, который применяется для преобразования физической переменной в электрический сигнал. Масштабный усилитель нормирует сигнал датчика, т. е. усиливает или ослабляет его настолько, чтобы максимальное значение сигнала не превышало 10 В. Обычно для масштабирования сигналов датчика используется ОУ с ЦАП в цепи ОС (см. гл. 10). Описываемая структурная схема представляет собой.один из многих возможных способов соединения функциональных узлов многоканальной системы сбора информации. В некоторых случаях параметры, характеризующие состояние исследуемой системы, должны быть измерены одновременно. Совпадающие во времени измерения требуют введения УВХ в каждый аналоговый канал. Все УВХ одновременно переходят в режим хранения. Они остаются в режиме хранения до тех пор, цока их 2 МуЛЬ- -\типлв-ксор  ЦАП типа КР572ПА1 -Л AU,n\lHo3y воупрае-V (ванные) оп, ЭВМ -1 (команды)  Рис. 12.4. Структурная схема системы сбора и преобразования аналоговых сигналов Рис. 12.5. Структурная схема системы сбора аналоговых сигналов на базе микропро цессора выходы подключаются ко входу АЦП в требуемом порядке. После того, как все хранимые сигналы преобразуются в цифровую форму, УВХ можно перевести в режим выборки новых значений. Однако в такой системе УВХ должны обеспечивать точное хранение выбранного аналогового сигнала в течение времени, которое требуется АЦП для выполнения нескольких преобразований. Это более жесткое требование для УВХ, чем требование хранения на время одного преобразования. Традиционный подход к построению системы сбора информации сводится к тому, чтобы максимальное число одних и тех же элементов участвовало в обработке информации от разных датчиков. Этот подход имел очевидные экономические преимущества, когда составляющие системы сбора информации, в частности АЦП, были весьма дорогостоящими. Появление недорогих БИС преобразователей, ОУ и УВХ уменьшило экономические преимущества традиционного подхода. Это сделало экономически жизнеспособной систему, использующую отдельные масштабирующие узлы и АЦП в каждом канале. В этом случае можно использовать более медленные преобразователи и отказаться от УВХ, когда аналоговые сигналы изменяются медленно. Тогда в системах сбора информации, в которых датчики далеко разнесены и удалены от центра приема информации, аналоговые сигналы можно преобразовать в цифровую форму прямо у источника сигнала. Информацию можно передавать в цифровом виде последовательным кодом со всеми преимуществами возросшей помехоустойчивости по сравнению с передачей аналогового сигнала. Если ряд аналоговых величин преобразуется в цифровую форму для последующей обработки в микропроцессоре, то очевидна целесообразность передачи микропроцессору и реализации алгоритма преобразования аналоговых сигналов в цифровые. В этом случае структурная схема системы сбора и обработки существенно упрощается (рис. 12.5). Сравнение выходного сигнала ЦАП с лю- бым входным аналоговым сигналом выполняется с помощью одного из компараторов напряжения А1-А^. Результат сравнения в каждом такте для выбранного компаратора поступает в микропроцессор по одному из проводов Д€-Д7 шины данных. Интерфейсный адаптер ИА1 образует порт вывода данных, а ИА2 порт ввода данных. На выходе ИА2 должны быть логические схемы с тремя устойчивыми состояниями. Интерфейсный адаптер ИА1 принимает с щины данные и передает их на входы ЦАП, выходной аналоговый сигнал которого поступает на входы компараторов. Аналого-цифровое преобразование для всех восьми каналов реализуется программно аналогично тому, как это' было описано для схемы на рис. 12.1. В общем случае .программа начинает преобразование для какого-либо одного канала, установив на шике данных некоторое исходное цифровое слово. Это цифровое слово преобразуется в аналоговое напряжение с помощью ЦАП и сравнивается с входными напряжениями во всех каналах (/вх. Результаты всех Л' сравнений (Л/=8 для 8-разрядной шины данных и N=16 для 16-разрядной шины данных) программа получает через ИА2. Затем программа выделяет и анализирует разряд, соответствующий обрабатываемому каналу, и в соответствии с заданным алгоритмом аналого-цифрового преобразования (см. гл. 11) определяет новое цифровое слово, которое необходимо установить на шине данных и т. д. Таким ббразом программа выбирает требуемый аналоговый входной сигнал, выполняя функцию временного мультиплексирования. Обычной проблемой, с которой сталкиваются при проектировании многовходовых систем сбора и обработки, является приведение всех аналоговых сигналов к одной шкале. Если входное аналоговое напряжение измеряется вольтами, то преобразовать его с погрешностью, соответствующей 8-10 разрядам, не представляет труда. Если же на вход системы поступает напряжение, измеряемое десятками милливольт, то преобразовать его с той же погрешностью в цифровой код не представляется возможным без предварительного усиления. Поэтому применяется программируемый масштабирующий усилитель перед УВХ (см. рис. 12.4), который должен усиливать входные аналоговые сигналы с минимальной погрешностью. В традиционных системах сбора и цифровой обработки аналоговых сигналов коэффициент усиления для каждого аналогового сигнала задается при подготовке программы работы микроЭВМ в виде таблицы коэффициентов. Однако такая система неудобна в тех случаях, когда в процессе эсплуатации аппаратуры параметры датчиков входных аналоговых сигналов часто изменяются либо систему сбора требуется применить в другом устройстве. В этом случае необходима переработка программы работы системы сбора в части таблицы коэффициентов для входных абонентов, которая обычно, закладывается в ПЗУ микроЭВМ. Значительно универсальнее с точки зрений применения система сбора с автоматическим выбором масштабного коэффициента передачи программируемого усилителя. Один из способов реализации такой калибровки состоит в том, чтобы выполнить предварительное грубое быстрое преобразование аналогового сигнала в цифровой код и по его результатам установить коэффициент передачи масштабного усилителя [73]. Для этой цели образуется канал предварительного преобразования на базе АЦП, построенного по методу Параллельного преобразования. Для аналоговых сигналов, Изменяющихся в диапазоне 0,1...10 В, обычно достаточно (3-4)-разрядного параллельного АЦП. Если в.ходной аналоговый Сигнал равен нулю, то на цифровых выходах АЦП устанавливаются напряжения лог. О и коэффициент передачи масштабного усилителя максимален. Когда на входе Системы сбора, а следовательно, и параллельного АЦП максимальный аналоговый сигнал, то на цифровых выходах этого АЦП устанавливаются напряжения Л0Г.1 и коэффициент передачи масштабного усилителя минимален. В Некоторых случаях при построении системы сбора и цифровой обработки аналоговых сигналов входные мультиплексоры удобнее расположить рядом с источниками аналоговых сигналов, но на сравнительно большом расстоянии от остальной аппаратуры. Такое построение системы целесообразно при большом Числе М датчиков, расположенных в одном месте, И позволяет уменьшить в М раз чисЛо линий связи между аналоговыми дат^ ЧПкаМи и системой сбора. В этом Случае одинаковое влияние на точность передачи аналоговых сигналов от всех датчиков оказывает только Одна общая лйНия связи, которую просто откалибровать. Для этого на один из входов мультиплексоров с выхода системы подается эталонный аналоговый сигнал От специального усилителя (сМ. гл. 5), управляемого встроенным в систему ЦАП. Изменяемый микропроцессором системы эталонный сигнал обеспечивает калибровку линии связи для любого значения Входного аналогового сигнала. Кроме того, имея- цифровое отображение зависимости ошибок сбора, и Преобразования в канале связи между датчиком И микропроцессором, можно учесть эти ошибки при цифровой обработке результатов опроса всех датчиков. Построение систем сбора и цифровой обработки аналоговых сигналов на современных БИС ЦАП, АЦП и микропроцессорных наборах обеспечивает создание функционально полных устройств с точностью, соответствующей 10-12 разрядам, и временем преобразования на канал 1...2 мкс. Причем эти устройства конструктивно размещаются всегда на одной-двух платах [74]. Значительно упростить построение системы сбора может СБИС однокристальной аналого-цифровой системы типа К572ПВ4 (рис. 12.6). Эта СБИС Предназначена для работы непосредственно с микропроцессорами К580ВМ80, К580ВМ85 - и др. Аналоговые сигналы с Помощью ВОСьмиканального мультиплексора поочередно подклюЧа- К572ПВ4 К Г Регистрпосле-I Вобатепьного приблшкения io и управляю - ш,ая логика Муль-типле-KtOp s, ОЗУ \буфврные Л- Схема wcauuu адреса и Выбора схемы С mpe/fr ровкями 13В7 : -2f -26 ЦАП -ю Ком- - - тор О---- 13 iS)7 18 W Pi\c. l2.e. Структурная схеМа однокристальной системы сбора и преобразования аналоговых сигналов К572ПВ4 Ютсй к инвертирующему входу компаратора. Блок фиксации адреса канала через каждые 80 тактовых импульсов присоединяет очередной канал. Компаратор, ЦАП и РПП образуют АЦП последовательного приближения, описанный в гЛ. 11. Результат преобразования аналогового сигнала в 8-разрядный код автоматически записывается в соответствующие столбЦЬ! оперативного заноминающего устройства (ОЗУ). Работа БИС синхронизирована тактовыми импульсами CLK (рис. 12.7). РПП содержит управляющую логику, формирующую сигналы управления другими узлами. Сигнал STAT содержит импульсы, формируемые в мо- менты начала преобразования каждого канала. По сигналу CS Данные, поступающие из памяти на вход буферных каскадов, появляются на выходах DBO-DB7. В зависимости от кода на выводах АО, At, А2 производится выбор требуемого из аналоговых сигналов AIN0-AIN7. Разрешение на считывание кода АО, А1, А2 также дает сигнал CS. Однако адрес будет зафиксирован в дешифраторе только при подаче сигнала ALE [75]. Каждая ячейка ОЗУ содержит D-триггер и схему считывания, обеспечивающую произвольный ввод и вывод данных в разные столбцы под управлением блока фиксации адреса и выбора канала. Выходные буферные каскады построены налогических схемах с тремя состояниями (лог, О, лог. I и обрыв цепи ). Это позволяет отключить систему от Шины данных микропроцессоров, когда не требуется выдача результата преобразования или в промежутках между циклами Преобразования аналоговых сигналов, поступающих на входы коммутатора. Такая организация системы обеспечивает микропроцессору доступ к ОЗУ, т. е. к результату преобразования По любому каналу b любое время. Благодаря этому сокращаются затраты времени На выполнение микропроцессором подпрограммы считывания результатов Преобразования. \Шина данных \ \Шина адреса
an-f ап2 CS STAT ло-лг- 250 НС
Uao- CLK, Канал 2 SCLK 80v, CLK, Канал 1 80t, CLK, Канал О 80Гг. Канал 7 >2,5В \ U--40,4 В и 80Tf, Канал 2 Рис. 12,7. Основная схема включения (а) и временные диаграммы работы (б) БИС К572ПВ4 Из показанных на рис. 12.7 временных диаграмм видно, что считывание данных из памяти происходит только при наличии соответствующего адреса АО-А2 и воздействии сигнала CS. Процесс же преобразования производится непрерывно и последовательно по каждому каналу, пока тактовые импульсы подаются на вывод CLK- Данные, полученные в процессе преобразования, автоматически передаются в ОЗУ. При этом формируется сигнал STAT, срез которого показывает, что преобразование закончилось, и данные записываются в ОЗУ. Сигнал STAT исключает считывание из ОЗУ недостоверных данных. Этот сигнал позволяет выявить канал О, при обслуживании которого напряжение соответствует напряжению лог. О в течение 64 периодов тактовых импульсов в отличие от остальных каналов. После включения напряжения питания устанавливается произвольный канал преобразуемого аналогового сигнала. Поэтому в наихудшем случае потребуется 800 тактов для получения первой достоверной информации по всем каналам. Основные парамет-. ры БИС К572ПВ4 приведены в приложении. Полярность и диапазон изменения преобразуемых аналоговых сигналов определяются полярностью и значениями эталонных напряжений f/oni и О'опг. 1 ... 30 31 32 33 34 35 36 ... 38 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||