Интерфейсные устройства.

Интерфейсные устройства или устройства связи с объектом (УСО) (рис.3.21) включают в себя устройства передачи сигналов от датчиков АСУ ТП (коммутаторы аналоговых и цифровых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, устройство приема цифровой информации) и устройства передачи команд управления на исполнительные устройства АСУ ТП (коммутатор цифровых управляющих сигналов, цифро-аналоговый преобразователь). На схеме не показаны устройства борьбы с помехами, а также устройства, подтверждающие достоверность информации и фиксирующие контроль правильности выполнения команд управления. Эта группа устройств реализуется либо специальными каналами передачи информации, либо входит в состав указанных на схеме устройств.

Рис.3.21. Общая структура системы связи УВМ с объектом управления

Обмен информацией между отдельными устройствами УВМ осуществляется через интерфейсы. Интерфейсы системы связи рассчитаны на выполнение по командам обмена данными между устройствами в цифровой форме и содержат для этого необходимый состав цепей.

Интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритма взаимодействия различных функциональных блоков в автоматизированных системах обработки информации и управления при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных блоков (см. также ГОСТ 26.016-81).

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – это устройства, преобразующие входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Как правило, АЦП - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код.

предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами, АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые.

Сама суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. Если говорить простым языком, то пусть, к примеру, есть какой-то сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот самый сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация - это представление непрерывной функции (т.е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов. По-другому можно сказать, что дискретизация - это преобразование непрерывной функции в непрерывную последовательность. На рис.3.22 представлен принцип дискретизации. На рисунке показана наиболее распространненая равномерная дискретизация. Сначала имеется непрерывный сигнал S(t). Затем он подвергается разбиению на равные промежутки времени Δt. Вот эти промежутки "дельта тэ" и есть дискретные отсчеты, называемые периодами дискретизации. В результате получается последовательность отсчетов (дискретных) с шагом в Δt. По сути в основе дискретизации непрерывных сигналов лежит возможность представления их, т.е. сигналов в виде взвешенных сумм некоторых коэффициентов, обозначим их как a_i, иначе называемых отсчетами, и набора элементарных функций, обозначим их как f_i(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Рис.3.22. Принцип дискретизации

Период дискретизации выбирается из условия:

Δt = 1/2F_в,

где F_в - максимальная частота спектра сигнала.

Это выражение есть не что иное, как теорема Котельникова, которая гласит: Любой непрерывный сигнал можно абсоолютно точно восстановить на выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой F_в, если дискретные отсчеты взяты через интервал Δt=1/2F_в.

А это значит, что частота дискретизации должна быть вдвое больше максимальной частоты сигнала. На практике, например, это хорошо иллюстрирует обычный компакт диск (КД или CD) или, как его называют, AudioCD. КД записывают с частотой дискретизации 44,1 кГц. А это значит, что максимальная верхняя частота будет равна 22 кГц, что, как считается, вполне достаточно для уха человека (частотный диапазон для уха человека равен 20...20000 Гц).

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования.

На рис. 3.23 изображено равномерное квантование. Одним из основных параметров является δ - шаг квантования. Соответственно, при равномерном квантовании шаг квантования одинаков. Итак, согласно определению запихиваем отсчеты в подготовленную сетку. Первый (слева направо) отсчет находится ближе к уровню 3 (уровни квантования - по вертикальной оси). Второй - к 5-му уровню и т. п. Таким образом, вместо последовательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответствующих уровням квантования.

Рис.3.23. Квантование

При равномерном квантовании динамический диапазон получается довольно большим, а это не есть гуд. Поэтому придумали так называемое неравномерное квантование, при котором динамический диапазон уменьшается. Ну понятно, наверное, что шаг квантования δ будет различным при различных уровнях. При малых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается. На практике же неравномерное квантование практически не используется. Вместо этого применяют компрессоры, причем в США используют μ-компрессоры, в евросоюзе - А-компрессоры. Характеристика компрессора показана на рис.3.24:

Рис.3.24. Амплитудная характеристика компрессора

Для восстановления ужатого динамического диапазона используют декомпрессор или экспандер. Понятно, что амплитудная характеристика экспандера обратна компрессору.

Кодирование - это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов. Широко используется двоичный код.

Ну а теперь перейдем собственно к АЦП. АЦП бывают:

- параллельные;

- последовательные;

- последовательно-параллельные

Параллельные АЦП. Чаще всего в качестве пороговых устройств параллельного АЦП используются интегральные компараторы. Схема типичного АЦП параллельного типа приведена на рис.3.25.

Рис.3.25. АЦП параллельного типа

Довольно простая схема. Число компараторов DA выбирается с учетом разрядности кода. Например, для двух разрядов понадобится три компаратора, для трех - семь, для 4-х - 15. Опорные напряжения задаются с помощью резистивного делителя. Входное напряжение U_вх подается вход компараторов и сравнивается с набором опорных напряжений, снимаемых с делителя. На выходе компаратора, где входное напряжение больше соответствующего опорного, будет лог. 1, на остальных - лог. 0. Естественно, при входном напряжении равном 0 на выходах компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении на выходах компараторов будут лог. 1. Шифратор предназначен для преобразования полученной группы нулей и единиц в "нормальный" двоичный код.

Параллельный АЦП является самым быстродействующим из всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но есть весьма существенный недостаток. Как было сказано выше, разрядность такого АЦП определяется числом компараторов и резисторов. При малой разрядности это еще не так плохо. А когда разрядов 10-12. Для 10-ти разрядного АЦП понадобится 2¹⁰-1=1023 штук. Отсюда вытекает высокая стоимость параллельных АЦП. Кстати, подбором сопротивлений резисторов можно выбрать закон преобразования - линейный, логарифмический.

Последовательные АЦП. Бывают последовательного счета и последовательного приближения. Типичная схема АЦП последовательного счета приведена на рис.3.26. На схеме буквами и символами обозначены следующие элементы: К - компаратор, & - схема "И", ГТИ - генератор тактовых импульсов, СТ - счетчик, #/A - ЦАП. На один вход компаратора подается входное напряжение, на второй - напряжение с выхода ЦАП.

Рис.3.26. АЦП последовательного счета

В начале работы счетчик устанавливается в нулевое состояние, напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю, а на выходе компаратора устанавливается лог. 1. При подаче импульса разрешения "Строб" счетчик начинает считать импульсы от генератора тактовых импульсов, проходящих через открытый элемент "И". Напряжение на выходе ЦАП при этом линейно нарастает, пока не станет равным входному. При этом компаратор переключается в состояние лог. 0 и счет импульсов прекращается. Число, установившееся на выходе счетчика и есть пропорциональный входному напряжению цифровой код. Выходной код остается неизменным пока длится импульс "Строб", после снятия которого счетчик устанавливается в нулевое состояние и процесс преобразования повторяется.

Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Достоинством является сравнительная простота построения.

Более быстродействующим являются АЦП последовательного приближения, называемый также АЦП с поразрядным уравновешиванием. АЦП последовательного приближения показан на рис.3.26. В основе работы таких преобразователей лежит принцип дихотомии - последовательного сравнения измеряемой величины с ½, ¼, ⅛ и т.п. от возможного ее максимального значения.

Рис.3.27. АЦП последовательного приближения

В таком АЦП используется регистр последовательных приближений. При подаче импульса "Пуск" на выходе старшего разряда регистра появляется лог. 1, а на выходе ЦАП напряжение U₁. Если это напряжение меньше входного, то в следующем по счету разряде регистра записывается еще лог. 1. Если же входное напряжение меньше, то лог. 1 в старшем разряде отменяется. Таким образом, методом проб перебираются все разряды - от старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов. То есть АЦП последовательных приближений намного быстрее АЦП последовательного счета.

Последовательно-параллельные АЦП - это компромисс между параллельными и последовательными АЦП, т.е. желание получить максимально возможное быстродействие при минимальных затратах и сложности.

На рис.3.28 показан для примера двухступенчатый АЦП. В многоступенчатых преобразователях процесс преобразования разделен в пространстве.

Рис.3.28. Двухступенчатый АЦП

Для примера на рисунке изображен двухступенчатый АЦП. АЦП1 (верхний) осуществляет "грубое" преобразование входного сигнала в старшие разряды. Сигналы с выхода первого АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход быстродействующего ЦАП. Кружочек с плюсиком - это сумматор, но в данном случае вычитатель. Цифровой код преобразуется ЦАП в напряжение, которое вычитается из входного в этом самом кружочке с плюсиком. Разность напряжений преобразуется с помощью АЦП2 в коды младших разрядов. Регистр для упрощения можно из схемы исключить. В таких схемах ЦАП чаще всего выполняется по схеме суммирования токов с помощью дифференциальных переключателей, но могут быть построены по схеме суммирования напряжений.

Требования к точности АЦП1 выше, нежели ко второму. Оба АЦП параллельного типа. Допустим, и тот, и другой 4-х разрядные, в каждом используется по 16 компараторов. В итоге получается 8-ми разрядный АЦП всего на 32 компараторах, тогда как при построении по параллельной схеме понадобилось бы 2⁸-1=255 шт. Быстродействие примерно раза в два хуже. Помимо этого бывают многотактные последовательно-параллельные и конвеерные АЦП. У них несколько иная структура. К примеру, многотактные преобразователи работают с различным шагом квантования, т.е. в преобразователе процесс преобразования разделен во времени. В один момент времени формируются старшие разряды, в другой момент времени шаг квантования уменьшается и формируются младшие разряды.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) – это устройства, предназначенные для преобразования цифровых кодов в аналоговые величины, например, напряжение, ток, сопротивление и т.п. Принцип преобразования заключается в суммировании всех разрядных токов (или напряжений), взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения. Другими словами, преобразование заключается в суммировании токов или напряжений, пропорциональных весам двоичных разрядов, причем суммируются только токи тех разрядов, значения которых равны лог. 1. В двоичном коде вес от разряда к разряду изменяется вдвое. Наиболее распространены две схемы суммирования токов - параллельная и последовательная. На рис.3.29. приведена схема параллельного суммирования токов.

Рис.3.29. Параллельная схема суммирования токов

Ключи S переключаются при уровне лог. 1, тем самым подключая резисторы к источнику опорного напряжения. Через резисторы протекает соответствующий весу разряда ток. Сопротивление резисторы прогрессивно изменяется в два раза от разряда к разряду.

При высокой разрядности сопротивления резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Особо жесткие требования предъявляются к резисторы старших разрядов, поскольку разброс тока в них не должен превышать тока младшего разряда. Вообще же, разброс сопротивления в n-м разряде должен быть меньше, чем:

ΔR/R=2^-n

Отсюда следует, что разброс сопротивления, к примеру, в третьем разряде не должен превышать 12,5%, в 10-м разряде - уже 0,098%.

Такая схема обладает рядом недостатков, хотя она проста. К примеру, при различных входных кодовых состояниях потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН) ток будет также различным, что несомненно повлияет на величину выходного напряжения ИОН, а это уже не есть гуд. Кроме того, сопротивления весовых резисторов могут отличаться в тысячи раз, а это затрудняет реализацию таких резисторов в полупроводниковых ИС. Помимо этого, сопротивления резисторов старших разрядов могут быть соизмеримы с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешностям преобразования. И еще, в разомкнутом состоянии к ключам прикладывается довольно высокое напряжение, а это затрудняет их построение.

Была разработана несколько иная структура, в которой устранены указанные выше недостатки. Это реализовано в схеме ЦАП AD7520, разработанном фирмой Analog Devices в 1973 г. Отечественным аналогом является известная 572ПА1. В настоящее время по этой схеме строят большинство ЦАП-ов. Сруктура приведена на рис.3.30.

Рис.3.30 Последовательная схема суммирования токов

В такой схеме задание весовых коэффициентов осуществляется с помощью резистивной матрицы постоянного сопротивления. Основным элементом матрицы является делитель R-2R, показанный на рис.3.31. При этом должно выполняться условие: если делитель нагружен на сопротивление нагрузки, то его входное сопротивление также должно быть равно сопротивлению нагрузки.

Рис.3.31. Элемент матрицы постоянного сопротивления

Поскольку ключи S соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной питания, источник опорного напряжения работает на постоянную нагрузку, следовательно, его значение стабильно и не изменяется при любом входном коде ЦАП, в отличие от предыдущей схемы. Кроме того, резисторы 2R соединяются с общей шиной через низкое сопротивление замкнутых ключей S, напряжения на ключах небольшие (в пределах нескольких милливольт), что значительно упрощает построение ключей и схем управления ими, а также использовать опорное напряжение в широком диапазоне да еще и разнополярное. В качестве ключей используются МОП-транзисторы. Поскольку выходной ток в таком преобразователе изменяется линейно, то имеется возможность умножения аналогового сигнала на цифровой код, если вместо опорного напряжения использовать аналоговый сигнал. Такие ЦАП называются перемножающими (MDAC). Примером применения перемножающего ЦАП может служить элементарный цифровой регулятор громкости, скажем, на 572ПА1. Вместо опорного напряжения подается входной сигнал.

Для последовательной схемы требования к точности резисторов намного меньше, чем для параллельной. Для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления ключей с разрядными токами. Особенно это важно для старших разрядов. Это обстоятельство снижает точность. Кроме того, такие ЦАП имеют низкое быстродействие из-за большой емкости МОП-ключей.

Помимо вышерассмотренных (и наиболее употребительных) схем существуют ЦАП на источниках тока, обладающие более высокой точностью. В таких ЦАПах весовые токи формируются не резисторами небольшого сопротивления, а транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Примером может служить отечественный ЦАП 594ПА1.

В качестве переключателей тока могут также использоваться биполярные дифференциальные каскады. Транзисторы работают в активном режиме, а это позволяет сократить время установления.