9.2. Преобразователи непрерывных величин в цифровой код и цифрового кода в непрерывную величину

Преобразователи непрерывных (аналоговых) величин в цифровой код (АЦП) A/D

Преобразователи непрерывных величин в цифровой код являются устройствами, которые преобразуют непрерывную физическую величину в дискретную цифровую форму. Цифровой код характеризуется системой счисления. Напомним, что целое число можно представить в любой системе счисления с основанием В в виде

где — коэффициенты разряда, принимающие значения от 0 до

Для двоичной системы счисления

Для десятичной системы счисления

Например, число 35 в десятичной системе счисления равно в двоичной или 100011.

В настоящее время применяется большое количество преобразователей, которые можно разделить на три группы: 1) преобразователи пространственных перемещений в цифровой код; 2) преобразователи электрических величин (напряжений, токов, сопротивлений) в цифровой код; 3) преобразователи интервалов времени в цифровой код.

Преобразователи пространственных перемещений преобразуют в цифровой код углы поворота и линейные перемещения.

Преобразователи угол-код делятся на преобразователи считывания и преобразователи последовательного счета. В преобразователях считывания угол поворота вала выдается со считывающего устройства непосредственно в двоичном коде. Основным элементом преобразователя является диск или барабан с кодовой шкалой (маской). На

Рис. 9.2. Преобразователи угол-код типа считывания: а — четырехразрядный кодированный диск с контактным способом съема; б — с фотоэлектрическим способом считывания; в — трансформатор с цилиндрическим сердечником.

рис. 9.2, а изображен четырехразрядный кодированный диск. Диск разбит соответственно по числу разрядов на четыре концентрических кольца. Внешнее кольцо соответствует младшему (2°), а внутреннее кольцо старшему разряду. На окружности наносят изображения кода в виде прозрачных и непрозрачных или проводящих и непроводящих участков, соответствующих 1 и 0. Съем кодированных сигналов осуществляется с помощью фотоэлектрических устройств, контактных щеток, трансформаторов с воздушным зазором и другими способами. На один разряд кода (на одно кольцо) требуется одно считывающее устройство.

При съеме с помощью контактных щеток последние устанавливаются неподвижно в радиальном направлении (рис. 9.2, а). При этом, если щетка находится на проводящем участке (на рис. 9.2, а не заштрихован), то передается 1, а если на непроводящем, то 0. При повороте диска, например, на угол а щетками фиксируется код 0010.

При фотоэлектрическом способе считывания (рис. 9.2, б) кодированный диск КД, выполненный из оптического стекла, устанавливается между источниками света направленного излучения ИС и фоточувствительными элементами ФЭ (фотодиодами или фоторезисторами), размещенными по радиусу диска. При этом освещаться и возбуждаться будут только те фотоэлементы, которые находятся под прозрачными участками диска. Сигналы на выходах фотоэлементов после усиления образуют параллельный код двоичного числа, соответствующего углу поворота вала. С помощью фотоэлектрических преобразователей можно реализовать 14-18-разрядный код, что дает возможность получения высокой точности преобразования.

При трансформаторном съеме сигнала считывающая головка преобразователя (рис. 9.2, в) выполняется в виде трансформатора с цилиндрическим сердечником 1 из мягкого железа, на котором размещены первичная 2 и вторичная 3 обмотки. Код в виде напряжения снимается со вторичной обмотки. Кодовый диск выполняется из железа. Вырезанные участки (канавки) разрядных колец соответствуют коду 0, а невырезанные части — коду 1. При совпадении считывающей головки

Таблица 9.1. Таблица кодов

с канавкой 4 во вторичной обмотке индуктируется малое напряжение, что соответствует коду 0. Если же под головкой окажется невырезанный участок, то напряжение на выходе вторичной обмотки увеличивается, что соответствует коду 1. Достоинство преобразователей с трансформаторным съемом состоит в их высокой надежности. Однако их точность преобразования ограничивается семью-восьмью разрядами.

Преобразователи угол — код с обычной двоичной кодовой шкалой на практике, как правило, не применяются, так как имеется вероятность появления ложных кодов. Значительная ошибка считывания может возникнуть из-за того, что в двоичной системе счисления при переходе от одного числа к другому могут меняться цифры сразу в нескольких разрядах. Например, при переходе от числа 7 к числу 8 (см. рис, 9.2, а и табл. 9.1) в первых трех разрядах код 1 сменяется кодом 0, а в четвертом код 0 сменяется кодом 1 и поэтому при небольшом сдвиге щетки в старшем разряде, как показано на рис. 9.2, а, будет сниматься код 0000 (т. е. 0), а не код 1000 (т. е. 8). Для устранения этого недостатка применяются диски с масками специальных кодов — двоичного циклического кода (кода Грея) или двоично-сдвинутого кода (кода Баркера).

Два соседних числа, записанные в коде Грея (табл. 9.1), различаются цифрой лишь одного разряда. Благодаря этому значительно снижается вероятность ошибки считывания. Согласно кодовой

Рис. 9.3. Кодовые маски: а - двоичного кода; б — кода Грея; в — кода Баркера»

маске Грея (рис. 9.3, б), при переходе от одного числа к другому прозрачные и затемненные участки сменяются только в одном разряде. В этом случае ошибка считывания не превышает единицы младшего разряда.

От обычного двоичного кода перейти к коду Грея можно путем логического сложения (сложения без переноса) числа в обычном двоичном коде с тем же числом, но сдвинутым на один элемент вправо:

Здесь — число, записанное в коде Грея; - знак логического сложения. Например, число 45 в коде Грея будет иметь вид

Для перехода от кода Грея к двоичному можно воспользоваться схемой

Например, число 45 в коде Грея Пользуясь приведенной схемой, получим число 45 в двоичном коде

Код Грея преобразуется в обычный двоичный код с помощью специальных схем.

В маске кода Баркера (рис. 9.3, в) каждый разряд двоичного кода, кроме первого, представляется двумя подразрядами А и Б. Число элементов считывания равно где — число разрядов обычного двоичного кода. Кодовые участки подразрядов А и В i-го разряда равны по длине кодовым участкам разряда маски обычного двоичного кода (рис. 9.3, а), но сдвинуты соответственно влево и вправо относительно последних на длины кодового участка данного разряда.

Если код разряда 0, то в разряде код считывается с элемента считывания подразряда А, если же код разряда 1, то в разряде включается элемент считывания подразряда Б. Благодаря этому неоднозначность при считывании с кодовой маски Баркера возможна лишь в младшем разряде, т. е., как и в коде Грея, погрешность считывания не превышает единицы младшего разряда. Однако при считывании с маски кода Баркера получается отсчет в обычном -разрядном

Рис. 9.4. Фотоэлектрический преобразователь угол — число импульсов типа последовательного счета: а — непрозрачный диск с прорезями; б - схема преобразователя (ИС — источник света).

Рис. 9.5. Преобразователь угол — временной интервал — код типа последовательного счета с фазовращателем: с — блок схема; б — временная диаграмма.

рядном двоичном коде и поэтому отпадает необходимость в дополнительных Преобразователях.

В преобразователях, работающих по методу последовательного счета, угол поворота вала преобразуется в количество импульсов. В простейшем случае для этого используется закрепленный на валу диск или барабан, разделенный метками на проводящие (прозрачные) и непроводящие (непрозрачные) участки (рис. 9.4). Сигнал может сниматься контактным, фотоэлектрическим, индуктивным и другими способами. При повороте диска в считывающем устройстве СУ формируются импульсы, число которых зависит от угла поворота вала и плотности меток. Импульсы поступают на счетчик СТ.

Более широкое применение нашли преобразователи, работающие по методу счета, осуществляющие последовательное преобразование угол — временной интервал — код. Среди них чаще всего применяются преобразователи с фазовращателями (рис. 9.5, а). Угол поворота вала а равен сдвигу фазы напряжения фазовращателя ФВ (сельсина, работающего в фазовращательном режиме, СКВТ) относительно опорного напряжения (рис. 9.5, б): где а — угловая частота опорного напряжения, — интервал времени, пропорциональный углу поворота ротора фазовращателя ФВ. В момент прохождения напряжений через нуль от отрицательного к положительному

Рис. 9.6. Преобразователь напряжение-код по методу последовательного счета с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал: а — схема: б - формы сигналов.

периоду нулевые детекторы формируют управляющие импульсы разнесенные во времени на т. е. на время, соответствующее углу а поворота ротора ФВ. Импульс переводит триггер Т в состояние 1 и через схему И пропускаются на счетчик СТ импульсы от генератора импульсов Импульс переводит триггер в состояние и в счетчике СТ зафиксируется число импульсов, пропорциональное временному интервалу между импульсами а следовательно, углу а, поворота ротора ФВ. С помощью двоичного счетчика число импульсов преобразуется в двоичный код.

Преобразователи напряжения в цифровой код. Преобразователи напряжение-код делятся на преобразователи, работающие по принципу последовательного счета и по принципу сравнения (взвешивания).

Для преобразователей, работающих по принципу последовательного счета (рис. 9.6, а), характерно промежуточное преобразование измеряемого напряжения их во временной интервал который затем преобразуется в определенное число импульсов и в двоичный код. Преобразование напряжения во временной интервал осуществляется с помощью генератора пилообразного напряжения и схемы сравнения . С приходом импульса запуска на выходе вырабатывается пилообразное напряжение Одновременно триггер Т открывает элемент И и импульсы от генератора импульсов Г И поступают на счетчик СТ (рис. 9.6, б). В момент равенства напряжений и их срабатывает схема сравнения триггер Т ставится в нулевое положение и импульсы ГИ перестают поступать на счетчик.

Таким образом, при имеем

где — начальное значение пилообразного напряжения, а — скорость его изменения. Число импульсов, поступающих на счетчик, поэтому , где — период следования импульсов т. е. число импульсов, поступающих на счетчик, соответствует значению напряжения их.

В преобразователях напряжение-код, работающих по принципу сравнения, преобразуемое напряжение их последовательно сравнивается

Рис. 9.7. Преобразователь напряжение-код по принципу сравнения.

Рис. 9.8. Преобразователь напряжение-код с обратной связью.

с эталонными напряжениями значения которых соответствуют определенным разрядам кода. Вариант функциональной схемы преобразователя приведен на рис. 9.7. Напряжение их в устройстве сравнения сравнивается с наибольшим из эталонных напряжений соответствующим старшему разряду а кода. Если то в данном разряде вырабатывается сигнал а в устройстве вычитания У В определяется разность их — которая подается на устройство сравнения разряда и сравнивается с эталонным напряжением соответствующим данному разряду. Если при первом сравнении оказалось их то в разряде вырабатывается код и все напряжение их передается на устройства сравнения и вычитания разряда и т. д.

Преобразователи с эталонными источниками напряжения обладают высоким быстродействием, но имеют невысокую точность. Поэтому среди преобразователей, работающих по принципу сравнения, нашли применение преобразователи с обратной связью (рис. 9.8). Цикл работы начинается со сброса счетчика СТ в нулевое положение При поступлении напряжения их на устройство сравнения на его выходе возникает сигнал, который открывает схему И и импульсы от генератора импульсов начинают поступать на счетчик СТ. Напряжение с выхода преобразователя код-напряжение через обратную связь поступает на устройство сравнения При поступлении импульсов на СТ напряжение увеличивается и в момент времени, когда становится равным напряжению их, схема И закрывается и в СТ фиксируется код напряжения их.

Преобразователи напряжение-код, построенные по принципу сравнения и вычитания, имеют меньшее время преобразования, чем преобразователи последовательного счета, но более сложны.