Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

При использовании логических и цифровых устройств в системах авто­матизированного управления возникает проблема связи их с различными элек­тронными преобразователями входных сигналов и исполнительными механиз­мами, у которых в большинстве случаев информация представлена в аналого­вой форме в виде различных уровней напряжения и тока. В этом случае для преобразования цифрового сигнала в аналоговый ис­пользуют так называемый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а для обратного преобразования – аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ЦАП и АЦП выполняют в виде больших интегральных схем. Конструктивно ЦАП состоит из операционного усилителя (рис. 16.4 а), на вход которого с помощью электронных ключей (например, ключи на МОП-транзисторах), управляемых двоичным кодом, подключается матрица резисто­ров.

Рис. 16.4

Коэффициент передачи определяется по отношению . По входам 0, 1, 2, 3 ко­эффициенты передачи будут соответственно

, (16.1)

где – – числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положе­ния соответствующего ключа. Выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

. (16.2)

Таким образом, двоичный код на входе ЦАП преобразуется на выходе в уровень напряжения .

Недостатками этой схемы ЦАП являются необходимость жестких требований к точности и стабильности сопротивлений матрицы, особенно старших разрядов, а также к качеству опорного напряжения источника питания при различных нагрузках. Условное обозначение ЦАП показано на рис. 16.4 б.

Аналого-цифровой преобразователь состоит из цифрового автомата (ЦА) (рис. 16.5), который по сигналу, поступающему на его вход, вырабатывает после­довательность соответствующих чисел в двоичном коде. Этот код подается на вход ЦАП, где формируется выходное напряжение , определяемое входными числами. Напряжение подается на вход компаратора, где сравнивается с входным напряжением Если напряжения и равны, то компаратор выдает сигнал, останавливающий работу цифрового автомата, и на его выходе в запоминающих буферных устройствах фиксируется соответствующий двоичный код.

Цифровой автомат представляет собой двоичный регистр (РГ), основное на­значение которого – запись и хранение информации в двоичном коде. Основными элементами регистра являются триггеры. Их число определяется числом двоич­ных разрядов, на которое рассчитан регистр. Регистр суммирует импульсы от тактового генератора (ТГ). В выходном буферном устройстве (БУ) хранятся числа в двоичном коде, поступающие от регистра. Вся схема питается от источника стабилизированного напряжения (ИсН).

Рис. 16.5

Импульсы, поступающие от тактового генератора на вход регистра, перево­дят его разряды в код 1, начиная со старшего разряда. Если старший разряд имеет код 1, ЦАП выдает на выходе соответствующее напряжение, которое сравнива­ется в компараторе с входным напряжением. Если и больше , то старший регистр получает код 0, в противном случае остается 1. Далее код 1 по­является в следующем разряде и цикл повторяется до младшего разряда регистра. После этого АЦП готов к выдаче кода из регистра.

Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие, погрешность и динамический диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного для ЦАП.

ЦАП и АЦП являются основным связующим звеном между ЭВМ и раз­личными периферийными устройствами автоматизированных систем управле­ния технологическими процессами.

Микропроцессоры

Микропроцессор (МП) – программируемое электронное устройство, кото­рое предназначено для обработки информации, представленной в цифровом коде, и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры изготовляют по инте­гральной технологии. Они представляют собой одну или несколько БИС (рис. 16.6).

Рис. 16.6

Микропроцессор обрабатывает входные данные с помощью команд, представленных в двоичном коде. Двоичная система исчисления (с основанием 2) использует только две цифры (1 и 2) для записи чисел. Эти цифры называются би­тами. Цифровые электронные устройства пред­ставляют биты в виде определенных уровней на­пряжения: 0 – низкое напряжение, 1 – высокое. Например, число 13 в двоичной системе представляется следующим обра­зом: 13=1·2³+1·2²+0·2¹+1·2⁰=1101. Крайний правый бит двоичного числа называ­ется младшим битом, крайний слева – старший. Микропроцессор работает с би­тами, объединенными в слова. Слово из восьми битов называется байтом.

Архитектура микропроцессора отражает структуру его строения. Микро­процессор состоит из следующих основных блоков (рис. 16.7):

Рис. 16.7

– арифметико-логическое устройство (АЛУ) – реализует арифметические (сложение и вычитание) и логические (И, ИЛИ, сравнение) операции;

– регистр временного хранения данных (РГ) – на вход его поступают ре­зультаты операций;

– регистр команд (РК) – 8-разрядный регистр, содержащий первый байт команды;

– дешифратор команд (Д) – устройство расшифровки содержимого реги­стра команд (Д определяет, что следует выполнить в данный момент);

– счетчик команд (СЧ) – устройство, содержащее 16-разрядный адрес очередной команды;

– аккумулятор (АК) – 8-разрядный регистр, используемый для выполнения и хранения промежуточных результатов арифметических и логических операций;

– регистр слова состояния процессора или файловый регистр (РФ) – группа триггеров, состояние которых зависит от результатов последней операции АЛУ – является индикатором состояния МП в данный момент времени;

– логический блок управления и синхронизации (ЛБУС) – передает сиг­налы управления и синхронизации во все остальные устройства МП и внешние устройства.

Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами тремя группами параллельных проводов, называемыми шинами. Шина данных (ШД) служит для обмена исходными элементами данных (числовые данные, ко­манды). Шина адресов (ША) служит для передачи адресов – указаний местопо­ложения ячейки памяти в запоминающем устройстве. Шина управления (ШУ) служит для обмена сигналами управления между блоками МП и внешними устройствами.

Микропроцессор является основным элементом ЭВМ. Кроме него, в со­став ЭВМ (рис. 16.8) входит запоминающее устройство (ЗУ), выполненное на основе триггеров. ЗУ бывают двух типов:

Рис. 16.8

– постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), предназначенное для хранения неизменных данных – констант, программы монитора, обеспечиваю­щей функционирование системы, некоторых стандартных программ. Такую информацию ПЗУ может только считывать;

– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – содержит изменяемые данные – программы пользователей, результаты вычислений и др. В процессе работы информация ОЗУ может удаляться и записываться в процессе выполнения программ. При отключении питания информация ПЗУ сохраня­ется, а в ОЗУ стирается.

В состав ЭВМ также входят различные устройства ввода – вывода УВВ информации. Для ввода информации используются клавиатура, преобразова­тели сигналов, датчики и т.д.

Вывод информации осуществляется с помощью индикаторов, дисплеев, печатающих устройств, средств регистрации.

Элементы ЭВМ соединяются друг с другом и с внешними устройствами при помощи специальных аппаратных средств, называемых интерфейсом. Син­хронизация работы всех элементов осуществляется генератором тактовых им­пульсов (ГТ), задающим частоту работы ЭВМ.

Глава 17. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Общие сведения

Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).

Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование. Струк­турная схема источника питания представлена на рис. 17.1.

Рис. 17.1

В связи с этим источники питания электронных устройств классифици­руются по виду преобразования энергии первичного источника – источники постоянного тока (инверторы) и источники переменного тока (выпрямители). Источники питания, преобразующие энергию переменного тока в энергию по­стоянного тока, в свою очередь делятся на выпрямители однофазного и трех­фазного тока, регулируемые и нерегулируемые.

Полупроводниковые элементы, особенно интегральные микросхемы, ис­пользуемые в современных электронных устройствах, предъявляют жесткие тре­бования к качеству потребляемой энергии. Так, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, строго синусои­дальную для инверторов), минимальный уровень пульсации постоянного тока (выпрямители).

Выпрямители