65, 68, 69. Аналогово-цифрове перетворення. Принципи роботи. Реалізація інтерфейсу з ibm pc. Реалізація систем збору інформації

Аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП) – це пристрої, що приймають вхідні аналогові та генерують відповідні їм цифрові сигнали, придатні для подальшої обробки цифровими пристроями .

Найбільш раціональним способом перетворення, на сьогодні, є перетворення різних за фізичною природою величин сигналу спочатку в електричні сигнали, а потім у цифрові .

Процедура аналогово-цифрового перетворення являє собою перетворення неперервної функції часу U(t), що описує вхідний сигнал, в послідовність чисел, віднесених до деяких фіксованих моментів часу.

Ця процедура ділиться на дві самостійні операції:

– дискретизація – перетворення неперервної функції U(t) в неперервну послідовність {U(t_j)};

– квантування – перетворення неперервної послідовності {U(t_j)} в дискретну {U’(t_j)}.

В основі дискретизації неперервних сигналів лежить можливість представлення їх у вигляді зважених сум:

де a_j – деякі коефіцієнти або відліки, що характеризують вхідний сигнал у дискретні моменти часу; f_j(t) – набір елементарних функцій, що використовуються при відновлення сигналу по його відліках.

Найбільш поширеною формою дискретизації є рівномірна дискретизація, в основі якої лежить теорема відліків. Згідно неї в якості коефіцієнтів слід використовувати миттєві значення сигналу U(t) в дискретні моменти часу t_j=jΔt, а період вибирати з умови: Δt=1/2Fm. Де Fm – максимальна частота спектра сигналу, перетворюється.

П ри цьому вираз переходить у відомий вираз теореми відліків:

Для сигналів із строго обмеженим спектром цей вираз перетворюється в тотожність. Однак використання рівномірної дискретизації реальних сигналів призводить до появи високочастотних спотворень. Для їх зменшення необхідно або збільшити частоту дискретизації, або фільтрувати вхідний сигнал додатковим фільтром НЧ для обмеження спектру вхідного сигналу.

Для сигналів із вузькою смугою операцію дискретизації можна робити за допомогою самих АЦП. Основною проблемою такого перетворення буде те, що за рахунок кінцевого часу одного перетворення та невизначеністю моменту його закінчення не вдається отримати однозначної відповідності між значеннями відліків та моментами сигналу, до яких їх можна віднести. В результаті при роботі з динамічними сигналами виникає похибка для оцінки якої вводять поняття апертурної невизначеності. Апертурним часом називають час, на протязі якого зберігається невизначеність між значенням вибірки та часом, до якого вона відноситься. При рівномірній дискретизації в результаті апертурної невизначе­ності виникають амплітудні похибки, що називаються апертурними й чисельно рівні зміні сигналу на протязі апертурного часу. Інша інтерпретація ефекту апертурної невизначеності виглядає так: її наявність призводить до коливань істинних моментів часу, в яких беруться відліки сигналу по відношенню до рівновіддалених відліків часу. В результаті замість рівномірної дискретизації зі строго постійним періодом відбувається дискретизація зі змінним періодом повторення, що призводить до порушення умов теореми відліків та появі апертурних похибок.

Т аке значення апертурної похибки можна визначити, розклавши вираз для вхідного сигналу в ряд Тейлора в околиці точок відліку, яке для j-тої точки має вигляд:

В першому наближенні дає апертурну похибку:

де t_a – апертурний час, в даному випадку можна покласти рівним часу перетворення АЦП.

В основу класифікації АЦП покладено признак, який вказує на те, як відбувається процес перетворення аналогової величини за часом. В основі перетворення лежать операції квантування та кодування . Вони можуть виконуватись послідовно, паралельно, або набором послідовно-паралельних процедур наближення цифрового еквівалента до перетворюваної величини.

Реалізація інтерфейсу з IBM PC

На рисунку зображено принципову схему поєднання АЦП із 8-ми бітною системною шиною ISA. Окремі вхідні для нашої схеми сигнали описані в схемі підключення таймера. Лінія TCLK' – модифікований сигнал TCLK. Модифікація потрібна для зменшення тривалості сигналу з програмованого інтегрального таймера/лічильника. Оскільки тривалість імпульсів TCLK надто велика для запуску АПЦ (може таке трапитися, що навіть більша за час його перетворення), то виникла потреба сформувати з нього короткі імпульси запуску – сигнал TCLK'.

Схема поєднання АЦП із системною шиною ISA

Сигнали BCLK/8 використовується в ролі тактових імпульсів для роботи АЦП. Розглянемо принцип роботи даної схеми. Для початку перетворення необхідно занести номер аналогового входу АЦП (IN0–IN15) в 4 молодших розряди байта даних (ADD0–ADD3 на позначенні АЦП), потім видати команду запису цього байта в порт 308Н (Е8). При цьому номер вибраного аналогового входу фіксується в регістрі адрес АЦП. Лінія вибору запуску перетворення SCSLCT контролює джерело запуску перетворювача: сигнал TCLK' або порт 30АН (Е10). При SCSLCT=1 запуск відбувається виводом любих даних у порт 30АН, при SCSLCT=0 – запуск ініціюється сигналом TCLK'.

Схемотехнічна реалізація системи контролю стану лінії EOC.

Лінія вибору переривання INTSLCT, стан якої фіксується через порт 30СН, контролює спосіб стробування лінії переривання IRQ2: за станом лінії EOC або за сигналом TCLK'. Коли АЦП завершує чергове перетворення, лінія ЕОС переходить у високий стан. Якщо при цьому INTSLCT=1, то це викличе переривання по лінії IRQ2. При INTSLCT=0 процесор не отримує повідомлен­ня про завершення перетворення. В даному випадку потрібно провести контроль стану лінії ЕОС (полінг), використовуючи порт 309Н (лінія Е9). Сигнал ЕОС (від АЦП) своїм переднім фронтом фіксує рівень 5 В на виході (Q) тригера. Аналіз першого біта (BD1) шини даних із порта 309Н дозволяє перевірити стан лінії ЕОС. Скидання тригера в нульовий стан відбувається синхронно із сигналом ОЕ на АЦП.

Після того, як шляхом переривання або полінгу, фіксується високий стан лінії ЕОС аналогово-цифрового перетворю­вача, відбувається зрахування з АЦП даних перетворення (за командою вводу даних із порта 308Н).

Спробуємо описати порядок дій при програмуванні роботи такої системи в режимі одноразового запуску та аналізу сигналу ЕОС. Першим кроком є встановлення в стан одиниці сигналу SCSLCT. Для цього в порт 30CН (сигнал E12) у другому біті байта виставляється логічна одиниця (див. принципову схему підключення таймера). Другий крок – вибір потрібного аналогового входу АЦП (запис у порт 308Н номеру потрібного вхідного каналу, загальна кількість каналів складає 16). Запуск перетворення відбувається записом довільної інформації в порт 30АН. Аналіз стану першого (не нульового, а саме першого) біта байта даних із порту 309Н дозволяє зробити висновок про закінчення чи незакінчення перетворення АЦП. Останнім кроком, після появи сигналу ЕОС, є ввід байта даних із порту 308Н, який відповідає цифровому коду вхідного аналогового сигналу.

Апаратні засоби систем збору даних

Системи збору інформації виконують, як правило, дві функції: ввід аналогових сигналів до ПЕОМ та передача на об’єкт необхідних керуючих сигналів у цифровому чи аналоговому вигляді.

Одноканальні системи

Дані системи використовують у простих випадках, наприклад, при допоміжних функціях в експерименті та коли установка використовує, як основний, інші (відмінні від АЦП) принципи автоматизації.

Блок-схема одноканальної системи збору даних

Перші три вузли (вимірювальний перетворювач, підсилювач та фільтр) формують сигнал з оптимальними для перетворювача характеристиками. Вхідний сигнал фіксується на пристрої вибірки-збереження (ПВЗ) та потім перетворюється в цифрову форму АЦП.

Багатоканальні системи

Відомо два підходи до обробки декількох аналогових сигналів. Довгий час був популярний метод аналогового мультиплексування всіх вхідних каналів із використанням одного АЦП для перетворення. В даному випадку основним аргументом є пониження вартості системи. При альтернативному варіанті використовується окремі АЦП для кожного аналогового каналу. Цей спосіб має деякі переваги і стає більш поширеним у зв’язку зі зменшенням вартості АЦП.

Аналогове мультиплексування

Блок-схема багатоканальної системи збору даних з аналоговим мультиплексуванням.

Аналоговий мультиплексор під’єднує вибраний вхід до ПВЗ, який робить вибірку і потім зберігає сигнал для перетворення АЦП. Пристрій вибірки-збереження дозволяє мультиплексору у разі необхідності перемкнути на вихід інший канал, в той же час АЦП може проводити перетворення попереднього сигналу. Це означає, що час перемикання мультиплексора не впливає на виробничу спроможність системи в цілому. Однією з модифікацій такої системи є система одночасної вибірки. ПВЗ встановлюється на вхідних лініях мультиплексора і дозволяють фіксувати сигнали точно в один момент часу, чого вимагають особливості проведення деяких фізичних експериментів.

Розглянемо особливості реалізації деяких елементів. В якості аналогового мультиплексора найчастіше використовуються інтегральні схеми з комутаторами на польових транзисторах. Кількість вхідних ліній, як правило, складає 2, 8 та 16, які дозволяють працювати із заземленими або диференційними вхідними сигналами. При керуванні мультиплексором важливим моментом є відсутність короткого замикання між вхідними лініями, тобто при замиканні кожного наступного каналу, попередній вхід повинен бути відімкнений. Іншими важливими характеристиками аналогового мультиплексора є опір ключів у відкритому стані, струми витоку ключів у закритому стані, перехресні завади та час встановлення. На опорі відкритого ключа вхідний сигнал створює падіння напруги, що призводить до похибок коефіцієнта передачі. Тому потрібно навантажити мультиплексор схемою з високим значенням вхідного опору. Перехресні завади виникають у результаті паразитного зв'язку між виходом мультиплексора та входом закритого ключа. Час встановлення повинен бути врахований експериментатором для запуску ПВЗ.

Цифрове мультиплексування

В даному випадку використовується окремий АЦП для кожного каналу. Переваги даного методу виявляються в промислових системах автоматизації, коли датчики фізичних величин розподілені по великій площі в умовах сильних зовнішніх завад.

Рис. 11.3. Блок-схема багатоканальної системи збору даних з цифровим мультиплексуванням.

Локалізація перетворювачів поблизу джерел аналогових сигналів дозволяє позбавитися впливу завад на аналоговий сигнал, забезпечується гальванічна розв’язка та виключається поява земляних контурів. Наявність окремого АЦП для кожного каналу дозволяє реалізувати більшу частоту дискретизації в розрахунку на канал, і, навпаки – реалізація даної схеми дозволяє використовувати АЦП із меншою швидкодією.