4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГ—КОД

Измерительные устройства непрерывного действия, применяемые в системах автоматического регулирования с управляющими цифровыми вычислительными машинами, могут присоединяться к ЦВМ лишь через преобразователи аналог—код, преобразующие исходную аналоговую инфор.

мацию в код (двоичный, двоично-циклический). Аналоговые сигналы поступают в виде постоянного или переменного напряжения, частоты, фазы, временных интервалов и углов поворота.

Преобразование аналоговых величин в цифровой код можно представить в виде квантования по времени и уровню с последующим кодированием. Процесс квантования по времени состоит в последовательной выборке через определенные интервалы времени Т текущих значений непрерывного сигнала Период квантования Тк можно определить с помощью приближенной формулы

где — число двоичных разрядов; — Максимальная скорость изменения непрерывного сигнала.

Рассмотрим процесс прохождения непрерывного сигнала через преобразователь аналог—код (рис. VI.20). Из рисунка видно, что преобразование сигнала в код происходит не мгновенно, а за вполне определенное время . Сигнал с преобразователя снимается с временной задержкой Гц [331, называемой длительностью цикла. При квантовании по уровню текущее значение заменяется ближайшим дискретным значением статической характеристики преобразователя (рис. VI.21).

Из рис. VI.21 можно найти, что число уровней

После процесса квантования по времени и уровню сигналы преобразуются в цифровой код вычислительной машины.

При выборе преобразователя аналог—код необходимо вычислять статическую и динамическую погрешности. Как известно [33], статические погрешности зависят от округления переменной и инструментальной погрешности преобразователя. Статическая погрешность определяется с помощью формулы

Средняя квадратическая инструментальная погрешность

Рис. VI.20. Прохождение сигнала х через презбразоеатель аналог—код

Рис. VI.21. Статическая характеристика преобразователя аналог—код

Дисперсия погрешности квантования по уровню при будет

откуда средняя квадратическая ошибка

Среднюю квадратическую ошибку преобразователя можно найти, пользуясь формулами (VI.101) и VI-102), т. е.

Значение случайной погрешности

зависит от коэффициента величина которого определяется характером закона распределения. Для большинства преобразователей

Динамическую погрешность преобразователя в момент времени можно записать в виде

или

Максимальная величина динамической погрешности преобразователя аналог—код с постоянной длительностью такта определяется максимальной величиной переходного процесса на первом такте преобразования:

где — коэффициент, определяющий максимальную относительную величину переходного процесса; — показатель степени переходного процесса; — время, затрачиваемое преобразователем для выполнения всех операций. Более точные значения динамических погрешностей преобразователей можно получить экспериментальным путем или методом моделирования на ЦВМ [32].

Рассмотрим преобразователи аналог—код различных типов. Наибольшее применение получили преобразователи напряжения и угла поворота в коды.

Преобразователи, постоянного и переменного напряжения в код. Существует три способа преобразования непрерывного постоянного напряжения в код: последовательного счета, поразрядного кодирования, считывания. Схема преобразователя аналог—код, работающего по способу последовательного счета, приведена на рис. VI.22, а.

Входное напряжение их преобразуется сначала в пропорциональный временной интервал (рис. VI.22, б), а затем в код (рис. VI.22, в). Из схемы видно, что импульсы запуска поступают на генератор пилообразного напряжения который вырабатывает напряжение Триггер открывает схему совпадения, и импульсы поступают на счетчик . В момент равенства и их срабатывает схема сравнения (рис. VI.22, б), которая ставит триггер в нулевое состояние, а импульсы перестают

Рис. VI.22. (см. скан) Преобразователь постоянного напряжения с использованием способа последовательного счета

поступать на счетчик. Код на счетчике (рис. VI.22, в) будет пропорционален временному интервалу и напряжению их. При имеем

где а — скорость изменения пилообразного напряжения. С помощью выражения (VI. 108) найдем, что выходной код

Схема преобразователя постоянного напряжения в код по способу поразрядного кодирования (рис. VI.23) работает следующим образом. На первом такте происходит сравнение их и первого эталонного напряжения, которое снимается с преобразователя напряжение—код ПНК. После этого напряжение усиливается в усилителе постоянного тока УПТ.

В работе преобразователя возможны два случая: и . В первом случае на выходе УПТ будет отрицательное напряжение. От действия этого напряжения и импульсов и триггер сохраняет состояние «1» и напряжение на выходе не изменяется. Во втором случае на выходе УПТ будет положительное напряжение, которое через логические схемы переведет триггер в состояние «0». В результате с выхода

Рис. VI.23. Схема преобразователя постоянного напряжения в код с использованием способа поразрядного кодирования

Рис. VI.24. Схема преобразователя постоянного напряжения в код с использованием способа считывания

ПНК снимается напряжение Такие же преобразования выполняются и на последующих тактах (т. е. в каждом из тактов происходит сравнение их с суммой эталонных напряжений После окончания рабочих тактов поступает тактовый импульс, приводящий к считыванию параллельного кода Преобразователь приходит в нулевое состояние после подсчета импульса.

Преобразователь напряжения, построенный по способу считывания (рис. VI.24), имеет опорных напряжений, снимаемых с делителей. Каждое из этих напряжений поступает на схемы сравнения куда подается напряжение их. В зависимости от результатов сравнения получается параллельный код Для исключения неоднозначности считывания применяются фиксирующие триггеры Выходной сигнал снимается со счетчика Преобразователи этого типа нашли самое широкое распространение из-за высокого быстродействия.

В преобразователях переменного напряжения в код используется принцип формирования опорных напряжений (рис. VI.25), когда входной сигнал переменного тока их поступает через блок масштабного преобразования БМП на схему сравнения Одновременно с этим сигнал их через блок попадает на вспомогательный блок масштабного преобразования ВБМП, представляющий собой делитель напряжений.

Напряжение их сравнивается с постоянным эталонным напряжением на блоке . В зависимости от сигнала разности этих напряжений цепи уравновешивания .н БМП устанавливают такой передаточный коэффициент при котором имеет место равенство

На выходе БМП получается напряжение поступающее на ВБМП. В результате этого с блока ВБМП снимается напряжение их, управляющее схемой сравнения . С выхода снимается сигнал для изменения передаточного коэффициента Когда разность становится малой, коэффициент находят с помощью соотношения

С учетом соотношения (VI. 111) выражение примет вид

поэтому код выхода будет однозначно соответствовать положению ключей в делителе опорного напряжения ВБМП.

Рис. VI.25. Схема преобразователя переменного тока в код с использованием метода опорных напряжений

Рис. VI.26. Схема преобразователя временного интервала в код с линией задержки

Преобразователи временного интервала в код создают на основе схемы, работающей по методу последовательного счета. Однако для повышения точности в таких преобразователях применяют линии задержки (рис. VI.26). Линия задержки смещает на импульсы в результате чего создаются две цепочки импульсов, поступающих на счетчики

Если положение импульса останова, воздействующего на логические элементы запрета и 32, будет определяться относительно этих двух цепочек импульсов, то максимальная ошибка временного интервала уменьшится в 2 раза.

В преобразователях напряжения в частоту (рис. VI.27) после запуска напряжение их поступает на ключ К, при замыкании которого включается интегратор. Одновременно с этим схема совпадения начинает пропускать импульсы на счетчик. Напряжение на выходе интегратора линейно возрастает до опорного . При схема сравнения срабатывает, и импульс поступает на второй вход интегратора. Амплитуда импульса имеет обратную полярность к а длительность равна т. В результате напряжение ни упадет. Итак, после действия импульса напряжение снова начинает увеличиваться и цикл интегрирования повторяется.

Если считать, что приращение напряжения на выходе интегратора равно то можно записать следующую зависимость

При в интервале от 0 до из зависимости (VI. 113) найдем

Если частота следования импульсов ГИ

а

где

то число импульсов, прошедшее через счетчик за время Т, будет

Таким образом, показания счетчика пропорциойальны входному напряжению.

Рис. VI.27. Схема преобразователя напряжения в частоту

Рис. VI.28. Кодовые шкалы: а — двоичная; б - циклическая

Преобразователи углов поворота в коды имеют кодовые шкалы, считанный сигнал с которых образует двоичный или циклический код. В качестве устройств считывания применяются щетки, магнитные головки и фотодиодные датчики [78]. Если используется двоичная кодовая шкала 1 (рис. VI.28, а), то весь диапазон углового перемещения разбивают на равные интервалы каждому интервалу соответствует вполне определенное двоичное число. Соотношение между числом разрядов двоичного числа, интервалом и диапазоном изменения переменных хшах — можно представить в виде

Младшему разряду двоичных чисел круговой кодовой шкалы соответствует внешнее кольцо, а старшему — внутреннее кольцо кодовых участков. В этом случае

где — порядковый номер кольца.

Преимущество двоичной кодовой шкалы заключается в том, что считанный сигнал представляет собой код двоичного числа. Однако считывание сигналов, например, щетками 2 (рис. VI.28, а) может происходить со значительными ошибками. Так, в пятиразрядной двоичной кодовой шкале на границе между 15-м и 16-м секторами вместо двоичных чисел 01111 и 1000 может быть считано любое пятиразрядное число от 00000 до 11111.

Во избежание ошибок считывания применяют циклические кодовые шкалы (рис. VI.28, б). Циклические коды приводятся к двоичному коду путем сложения сдвинутого двоичного числа по модулю 2 (без переноса), т. е.

Пример VI. 1. Сложить двоичное число 10001 по модулю 2 (mod 2) и получить циклический код данного числа. Сдвинем число 10001 вправо на один разряд и сложим его с заданным числом (без переноса), т. е.

В результате получим циклический код 11001.

Обратный переход от изображения числа в циклическом коде в двоичный код осуществляется в виде

Из выражения (VI. 122) следует, что значение разрядов двоичного числа получается из его циклического кода последовательно, начиная со старшего разряда. Схема такого преобразования изображена на рис. VI.29, а.

Рис. V1.29. Устройство для преобразования последовательного циклического кода, начиная со старшего разряда, в последовательный двоичный код

Триггер со счетным входом выполняет функции сумматора по последовательного действия, на вход которого поступают импульсы циклического кода, начиная со старшего разряда. Триггер изменяет состояние с приходом каждого импульса, соответствующего «1» в циклическом коде. Выход триггера связан с одним из входов схемы совпадения. На второй вход этой схемы поступают импульсы ГИ.

Импульсы циклического кода сдвинуты на полпериода относительно импульсов ГИ. Если триггер находится в положении «1», то сигнал с его входа отпирает схему совпадения для пропускания синхронизирующих импульсов, а если он находится в положении то схема заперта. На выходе схемы совпадения образуется двоичный код. Временная диаграмма работы такого устройства показана на рис. VI.29, б.