Цифро-аналоговый преобразователь - Системы цифрового управления

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков.

Типы ЦАП

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

    - Широтно-импульсный модулятор - простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике; - ЦАП передискретизации, такие, как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с Модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность - до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот, и улучшается подавление шума квантования;

    - ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит; - ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое - матрица токов и инверсное - матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой пленочных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже. В троичных ЦАП матрица постоянного импеданса состоит из резисторов 3R-4R с терминатором 2R.

На рис. 5.1 представлены наиболее распространенные структурные схемы систем прямого цифрового управления.

Состояние объекта управления в данный момент времени оценивается на основе информации, получаемой с помощью датчиков.

На рис. 5.1, А представлена система, в которой ЭВМ выполняет функцию сравнения (определение отклонения) и управляющего устройства (регулятор) и включена в основной контур управления.

структурные схемы систем цифрового управления

Рис. 5.1. Структурные схемы систем цифрового управления: А - функция сравнения; Б - функция управляющего устройства

Такой подход стал возможен благодаря повышению надежности работы ЭВМ. В данной структуре наиболее полно используются возможности ЭВМ, особенно при оптимизации работы объекта управления. Если ЭВМ выполняет только функции управляющего устройства, то структура системы имеет вид, представленный на рис. 5.1, Б. Кроме того, возможно использование ЭВМ для формирования задающих воздействий.

При этом реализуются достаточно сложные алгоритмы выработки заданий, связанные с учетом состояний внешней среды, желаемого поведения объекта как цели управления. Возможно использование ЭВМ в качестве последовательного или параллельного корректирующего устройства. Во всех случаях необходимо применение дополнительных устройств ЦАП и АЦП.

Если система управления является многомерной, то необходимо дополнительно установить аналоговый коммутатор и распределитель. Аналоговый коммутатор устанавливается перед АЦП, а распределитель - перед объектом управления. Во всех случаях ЭВМ предоставляет человеку дополнительное информационное обеспечение, необходимое для эффективного управления технологическими и транспортными процессами.

Наибольший эффект прямого цифрового управления достигается за счет того, что часть функций по обработке и анализу информации об управляемом процессе осуществляется не на предварительной стадии синтеза, а самой системой в процессе эксплуатации. Рассмотрим в качестве примера адаптивную самонастраивающуюся систему, построенную по принципу эталонной модели. Наиболее эффективным способом поддержания экстремального режима самонастраивающихся систем является введение в контур самонастройки модели-эталона. Процессы, протекающие в модели-эталоне, соответствуют задаваемым экстремальным условиям. В результате сравнения динамических процессов, происходящих в реальном объекте, с процессами модели можно подстроить характеристики регулятора таким образом, чтобы эти процессы достаточно близко совпадали. Тем самым обеспечивается действие реальной системы в экстремальном режиме. На рис. 5.2 представлена структура самонастраивающейся системы с моделью-эталоном (М-Э).

самонастраивающаяся система с моделью-эталоном

Рис. 5.2. Самонастраивающаяся система с моделью-эталоном

Задающее воздействие X(t) поступает одновременно на вход основного замкнутого контура управления и на вход модели-эталона. В результате сравнения получим сигнал E(t), т. е. отклонение параметра объекта управления Y(t) от сигнала модели YМ(t). В зависимости от величины и знака сигнала E(t) происходит изменение параметров УУ основного контура. Эти изменения происходят в соответствии с законами самонастройки, которые позволяют свести к нулю за конечный промежуток времени величину E(t), т. е. привести объект управления в экстремальную точку.

Похожие статьи




Цифро-аналоговый преобразователь - Системы цифрового управления

Предыдущая | Следующая