Цифроаналоговые преобразователи. 
Технические средства автоматизации и управления

Зачастую в системах измерения, исследования и управления параметрами процессов в машиностроении приходится решать задачу, обратную рассмотренной выше, а именно задачу преобразования величины, заданной в цифровой форме, в эквивалентную ей аналоговую величину. Для такого преобразования существуют различные способы — в зависимости от формы представления исходного числа и от того, в какую именно аналоговую величину оно должно быть преобразовано.

Как известно, цифровая величина может быть представлена (и использована для дальнейшего преобразования в аналоговую форму) либо в параллельном, либо в последовательном кодах. В первом случае информация представляется пакетами двоичных сигналов с разными кодовыми комбинациями (разными кодами). Во втором случае наряду с последовательно передаваемыми кодами разрядов может использоваться и серия импульсов так называемого унитарного кода (т. е. также позиционного кода, но с основанием не два и не десять, а единица).

Аналоговая величина может быть представлена в виде:

• • изменений амплитуды;
• • частоты гармонических колебаний;
• • сдвига фазы гармонических колебаний относительно эталонных (опорных) колебаний;
• • длительности импульса или длительности интервала между импульсами.

В практике машиностроения чаще всего используют такие аналоговые величины как электрические ток и напряжение. Используют также время, частоту, линейные и угловые перемещения, а в случае гидравлических и пневматических систем — давление. Время (продолжительность сигнала) и частота обычно используются как промежуточные величины.

Наибольшее самостоятельное значение имеет преобразование цифровых электрических кодов в величины электрических же напряжения и тока. Пример построения преобразователя по принципу суммирования параметров с их весами приведен на рис. 11.9.

Рис. 11.9. Схема цифроаналогового преобразователя с весовыми разрядами.

Эта схема функционирует следующим образом. На выходе преобразователя включен усилитель с токовым входом (с малым входным сопротивлением). Такой усилитель способен удерживать входное сопротивление постоянным и близким к нулю независимо от силы тока на своем входе. В этом случае сила тока, поступающего на вход такого усилителя, определяется тем, какой из ключей К, подсоединяющих к входу этого усилителя источник напряжения (/₀, будет замкнут, а какой — разомкнут. Величина подключаемого тока определяется величиной резистора, через который это напряжение подается на вход усилителя. Если величины резисторов подобраны таким образом, чтобы представлять собой степени 2, то сумма токов, поступающих на вход усилителя, будет представлять собой аналоговый эквивалент двоичного числа, изображаемого комбинацией сигналов.

хлх_гх_{.

Здесь описывается принцип работы преобразователей «цифра-аналог». Практически же в роли ключей К_х обычно используются малоинерционные транзисторные переключательные схемы.

Изменение числа ступеней переключения (разрядов исходного • кода) и соотношения сопротивлений в каждой из ступеней дает возможность построить преобразователи для различных входных кодов. Например, в объектах машиностроения часто применяется преобразователь такого рода для двоично-кодированных десятичных кодов.

При большом количестве ступеней разница в значении номиналов резисторов крайних ступеней становится очень большой. Тогда оказывается затруднительно выдержать соответствующие допуски. Это является принципиальным недостатком такой схемы.

Указанного недостатка лишены так называемые лестничные схемы. Пример такой схемы приведен на рис. 11.10.

В рассматриваемой схеме «лестница сопротивлений» запитывается стабилизированным опорным напряжением U_0i а резисторы, подключаемые при замыкании того или иного ключа К_А,…, К_Х, образуют делитель напряжений. Усилитель, используемый в этой схеме, имеет большое значение входного сопротивления, близкое к полному разрыву, поэтому он практически не влияет на то, какие напряжения суммируются на его входе.

Рис. 11.10. «Лестничная» схема преобразователя «код — аналог».

Если замкнут только ключ то входное напряжение усилителя равно U₀/ 2; если замкнут только ключ К_г, то входное напряжение усилителя равно ?/₀/ 4, и т. д. Таким образом, эта схема может преобразовывать параллельный двоичный код в напряжение на входе пропорционального усилителя, а значит, и на его выходе. Такое устройство легче реализовать, чем устройство на основе сопротивлений со взвешенными разрядами, изображенное на рис. 11.9. Это объясняется тем, что в этой схеме значения резисторов разделяются всего на две группы, а внутри каждой группы резисторы имеют равные номиналы. Номиналы резисторов одной группы ровно в 2 раза превышают номиналы резисторов другой группы. Естественно, и здесь ключи могут быть реализованы не в виде пар контактов, а в виде бесконтактных транзисторных логических переключательных элементов.

Преобразователи «код — время» («код — ширина импульса») могут строиться несколькими различными способами. Пример одного из таких способов приведен на рис. 11.11.

Функционирует подобная схема следующим образом. За основу принимается обычный двоичный счетчик, входы которого открываются сигналом С, который одновременно заносит в этот счетчик преобразуемый код X. Затем импульсы от базового генератора «скручивают» этот счетчик (уменьшают содержащееся в нем число). Момент, когда содержимое счетчика оказывается равным нулю, служит для формирования нового сигнала, блокирующего счетный вход этого счетчика. Факт поступления нового преобразуемого числа X определяется появлением нового стробирующего сигнала С, и цикл повторяется. Стробирующие сигналы С вызывают появление передних и задних фронтов вы

Рис. 11.11. Временная циклограмма преобразования двоичного кода в ширину импульса

ходного импульса Y Ширина этого выходного импульса определяется двоичным числом, заносимым в счетчик.

В тех случаях, когда ко времени преобразования не предъявляется высоких требований или когда преобразуемые числа изначально представляются последовательными кодами, применяются последовательные преобразователи «цифра — код», реализация которых обычно оказывается проще, чем в случае преобразования параллельных кодов.

Базовым принципом для последовательных преобразователей «цифра — аналог» является тот факт, что в обычном двоичном коде вес (tf* 1)-го двоичного разряда в 2 раза больше, чем вес предыдущего (более младшего) Х-го двоичного разряда. Поэтому суммируемое напряжение, соответствующее К- му двоичному разряду, должно быть в 2 раза меньше, чем напряжение, соответствующее (/Г+ 1)-му двоичному разряду. Чтобы не применять несколько различных источников напряжения, можно осуществлять деление или умножение предыдущего напряжения на 2 (в зависимости от того, с какого разряда начинается преобразование: с младшего или со старшего).

Обычно пользуются итеративной зависимостью вида.

Значение Х_к (0 или 1) соответствует фактическому значению преобразуемого кода К-гр двоичного разряда.

Рис. 11.12. Схема преобразователя «цифра — аналог» для последовательного кода.

Значения U_K+_X находят с помощью аналоговой памяти, т. е. устройства запоминания напряжений. Для этой цели обычно используют электрическую емкость (конденсатор).

На рис. 11.12 приведена принципиальная схема такого устройства. В соответствии с этой схемой положение ключа К_х определяется значениями Х_к в данном, К-м, разряде преобразуемого кода, ключ К₂ переключается тактовыми сигналами, а ключ К, замыкается для снятия показаний после введения всего преобразуемого числа.

Емкости конденсаторов С, и С₂ выбираются одинаковыми, поэтому если конденсатор С" заряженный во время преобразования предыдущего разряда до напряжения Х_к (J_oi останется подключенным во время паузы между тактовыми импульсами к конденсатору С₂, ранее заряженному до напряжения и_ю результирующее напряжение U_KJf, обоих этих конденсаторов оказывается равным именно ((J_K + X_K(J₀) / 2.

После числа тактов, равного л, напряжение U_K+, передается на вход усилителя и сохраняется там до момента следующего замыкания ключа К_у