2.6 Обробка сигналів у системах автоматичного керування.
У системах автоматичного керування існує два потоки інформації: перший потік — це інформація про об'єкт керування, яка сприймається датчиками через канали, і засоби обробки і поступає у систему автоматичного керування; другий потік — це керівна інформація, яку видає комп'ютер системи автоматичного керування на виконавчі пристрої через засоби обробки інформації (рис).
Обидва потоки інформації проходять цілим каскадом різноманітних перетворень. Розглянемо найважливіші перетворення цих потоків інформації.
Узгодження рівнів сигналів
Вихідні сигнали датчиків, як правило, не можна передавати безпосередньо в комп'ютер, їх спочатку потрібно узгодити за рівнем. Багато датчиків (наприклад, термоелементи, тензорезистори тощо) мають рівень вихідного сигналу недостатній для передачі каналом зв'язку в комп'ютер, і тому їх потрібно підсилювати. Для підсилення сигналів у сучасних системах автоматичного керування застосовуються операційні підсилювачі, охоплені різними видами зворотних зв'язків. Сучасна електронна промисловість випускає широку гаму типів операційних підсилювачів, як загального призначення, так і спеціалізованих, наприклад, підвищеної швидкодії, з високим вхідним опором, високої точності (інструментальні підсилювачі), з високою вхідною напругою тощо.
У системах автоматичного керування для підсилення сигналу широко застосовуються диференціальні підсилювачі в режимі інвертора, повторювача, диференціального підсилювача.
Узгодження імпедансів
Крім узгодження сигналів за рівнем, необхідно узгоджувати імпеданси (тобто повні опори) послідовно з'єднаних пристроїв обробки інформації. Пристрій з низьким вхідним опором істотно впливає на процеси, що протікають в об'єкті, до якого він приєднаний. Наприклад, вольтметр з низьким вхідним опором, увімкнений паралельно до пристрою, напругу на якому слід виміряти, спотворює режим досліджуваного кола, оскільки зменшує еквівалентний опір цього кола, в результаті чого напруга на пристрої, до якого приєднаний вольтметр, відрізнятиметься від напруги на пристрої без вольтметра. Достатньо масивний датчик температури змінює тепловий режим досліджуваного процесу, в результаті чого виникає похибка вимірювання температури.
Дискретизація аналогових сигналів
Вихідні сигнали датчиків є неперервними, тобто існують у будь-який момент часу. Цифрові ж пристрої обробки сигналів обробляють окремі значення сигналів, що наведені у вигляді чисел. Таки чином, на пристрій обробки має надходити не аналоговий сигнал у кожний момент часу, а послідовність окремих значень сигнал через певні інтервали часу. Процес періодичної вибірки окремих значень із аналогового сигналу і представлення неперервного аналогового сигналу послідовністю дискретних значень називається дискретизацією (sampling) аналогового сигналу. Кожне вибране окреме значення сигналу називається дискретною.
Вимірювальний перетворювач, який здійснює дискретизацію аналогового сигналу, квантування та кодування сигналу, називається аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Аналого-цифровий перетворювач є невід'ємною складовою частиною будь-якого цифрового приладу. Мікроелектронна промисловість випускає аналого-цифрові перетворювачі у вигляді однієї або кількох мікросхем.
Методи аналого-цифрового перетворення. Методи аналоги цифрового перетворення поділяються на:
методи зіставлення;
методи зрівноважування.
АЦП і ЦАП
Вихідні сигнали більшості датчиків і перетворювачів є аналоговими, тобто являють собою безперервний за час виміру сигнал у вигляді постійний або змінний струми або напруги. Відповідно для управління більшістю виконавчих механізмів потрібні аналогові сигнали.
Для перетворення аналогових сигналів у цифрові й назад, використовуються відповідно аналого-цифрові й цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП).
Цифроаналогові перетворювачі. Найпростіший ЦАП показаний на малюнку. На вхід ЦАП подається опорна напруга Е, що надходить на дільник напруги з резисторів К. Ключі К1 – К4 є, наприклад, контактами реле Р1 – Р4, управління включенням яких здійснює мікроЕОМ через паралельний вихідний порт. МікроЕОМ виробляє код, відповідно до якого спрацьовує те або інше реле, що замикає свій контакт К. Таким чином, напруга на виході ЦАП буде змінюватися відповідно до цифрового коду, який виробляє мікроЕОВМ. Показаний на малюнку ЦАП має чотири рівні вихідної напруги. У реальних мікросхемах ЦАП використовуються значно більше складні резисторні дільники й убудовані транзисторні ключі (наприклад, мікросхеми КР572), а також убудовані дешифратори двійкових кодів ЕОМ у код управління ключами. Сучасні мікросхеми ЦАП перетворять в аналоговий сигнал 8-, 10- або 12-розрядні двійкові коди.
Аналого-цифрові перетворювачі. Структурна схема АЦП, керованого від мікроЕОМ, показана на малюнку. Вхідна напруга Uвx подається на вхід пристрою вибірки-зберігання (УВХ), що запам'ятовує амплітуду миттєвого значення напруги. Аналогова схема порівняння (АСС) порівнює амплітуду сигналу, яка записана в УВХ, з аналоговим сигналом, що надходить із ЦАП. У момент рівності обох сигналів АСС виробляє для ЕОМ сигнал "Стоп", по якому ЕОМ припиняє зміна керуючих кодів, що подаються на ЦАП. 
Коди, що подаються на ЦАП від ЕОМ, виробляються за певним правилом, що дозволяє в оптимальний строк послідовно наблизитися до значення вихідного сигналу ЦАП, рівному рівню сигналу, що зберігається в УВХ. Останнє значення коду по сигналі "Стоп" запам'ятовується мікроЕОМ як цифрове значення рівня сигналу в УВХ. Потім ЕОМ подає сигнал "Вибірка" на УВХ, запам'ятовується нове миттєве значення вхідного сигналу, і весь процес оцифровки починається спочатку.
Крім розглянутого АЦП послідовного наближення існує багато інших типів АЦП, При автоматизації промислового устаткування для оцифровки сигналів, що змінюються повільно, часто використовують АЦП перетворенням напруги в частоту. У такому АЦП аналоговий, сигнал спочатку перетвориться в послідовність імпульсних сигналів, частота проходження яких пропорційна значенню аналогового сигналу. Потім за допомогою схеми частотоміра одержують цифрове значення частоти проходження імпульсів, що і вводиться в ЕОМ.
Перевага такого АЦП полягає в тім, що сам перетворювач напруга - частота може перебувати в блоці датчиків, установленому на встаткуванні, а вузол частотоміра може бути встановлений в ЕОМ. Така комбінація дозволяє розміщати датчики на більших відстанях від ЕОМ і передавати обмірювану інформацію з мінімумом перекручувань. Для високоточних вимірів рівнів постійного струму або напруги, особливо в умовах інтенсивних перешкод від промислового встаткування, використовують усереднюючі (інтегруючі) АЦП
У таких АЦП виробляється багаторазове перетворення того самого сигналу. Потім результати всіх вимірів складаються, а отримана сума в ЕОМ ділиться на число вимірів. Такий метод дозволяє значно підвищити точність вимірів, тому що рівень перешкод у кожний момент вимірів може мати різні знаки, у той час як вимірюваний корисний сигнал у ході вимірів має той самий знак.
Контрольні запитання до теми:
Що таке мікропроцесор? Історія розвитку мікропроцесорів.
Описати характеристики мікропроцесора.
Яка послідовність дій мікропроцесора під час виконання команд?
З яких частин складається мікропроцесор?
Описати функціональну схему пристрою управління (ПУ).
Описати функціональну схему арифметико-логічного пристрою (АЛП).
Яка структура пам’яті мікропроцесора?
Для чого призначена система шин мікропроцесора?
Що таке логічні елементи? Види логічних елементів.
Що таке датчики? Описати класифікацію датчиків.
Характеристики датчиків у статичному режимі.
Характеристики датчиків у динамічному режимі.
Типи датчиків: аналогові, бінарні, імпульсні і цифрові.
Що таке виконавчі механізми? Склад виконавчого механізму.
Що таке ЦАП, АЦП?
|