Лекция 13. Блоки ввода-вывода аналоговых сигналов

13.1. Технические требования и возможности

Носителем аналоговой информации при обмене СУ с объектами управления могут являться амплитуда сигнала (обычно постоянного напряжения или тока) и временнЫе параметры сигнала (частота, фаза, скважность импульсов и т.п.). Ниже будет показано, что в некоторых случаях амплитуду также целесообразно преобразовывать во временной интервал. В частности, носителем информации, которая вводится в управляющее устройство, может быть либо медленно меняющееся напряжение или ток, либо сигнал (обычно синусоидальный или близкий к нему) с изменяющейся фазой. Преобразуя эту информацию в код, получаем абсолютное значение измеряемого параметра (а не накопленное приращение – сравните обработку числоимпульсных сигналов).

Аналоговая информация, которая выводится из устройства ЧПУ, по физическому состоянию может быть либо медленно меняющимся сигналом (напряжением или током), либо импульсным сигналом с изменяющейся скважностью или фазой.

13.2. Вывод импульсных сигналов скважности и фазы

ПРАВИЛО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ – см. далее.

Возможность управления объектами путем изменения скважности возникает во многих случаях, когда объект управления (электродвигатель, нагреватель и др.) является низкочастотным фильтром и реагирует на среднее значение подводимой к нему мощности. Формирование импульсных сигналов имеет существенную специфику. Способ их применения для управления механическим перемещением обусловлен типом силового преобразователя энергии: коммутатор шагового двигателя, тиристорный частотный регулятор привода переменного тока и т.д. Ограничений со стороны стандартов для преобразователей "код-скважность прямоугольных импульсов" и "код-фаза" нет, однако следует рекомендовать при их создании придерживаться требований, предъявляемых к модулям вывода дискретных сигналов (см. выше).

Синтез узла формирования импульсов с регулируемой скважностью (широтно-импульсного модулятора – ШИМ, PWM – pulse wide modulator) начнем с функционального этапа. Поскольку скважность есть длительность импульса, отнесенная к периоду повторения (точнее, обратная величина этого отношения), то задача состоит в формировании последовательности импульсов задаваемой частоты с регулируемой длительностью. На входы узла должны подаваться коды периода повторения импульсов и их длительности.

Переходя к этапу структурного синтеза, обнаруживаем, что нам необходимы: генератор, вырабатывающий тактовые импульсы, частота которых гораздо выше частоты выходных сигналов, счетчик этих импульсов с предустановкой для формирования периода ШИМ (см. материалы соответствующей лабораторной работы по курсу вычислительной техники), второй счетчик для формирования длительности импульсов, ключ, отпираемый в начале периода следования импульсов и запираемый после отсчета заданной длительности, и схема инициализации для предустановки счетчиков перед началом нового цикла. Графически структуру узла студентам предлагается изобразить самостоятельно. Данные устройства слишком просты для оптимизации структурных решений, поэтому, проследив по структуре выполнение заданной функции, можно переходить к выбору аппаратных средств.

На этапе аппаратного синтеза можно выбрать различные средства реализации звеньев структуры – микросхемы средней интеграции, большую программируемую интегральную схему или таймер микроконтроллера.

Формирователь сигналов с регулируемой фазой строится аналогично. Следует исходить из того, что фаза – это временной интервал между опорным импульсом и сигнальным, отнесенная к периоду повторения, соответственно на входы узла должны подаваться коды периода повторения импульсов и сдвига между последовательностями импульсов во времени. Длительность импульсов может составлять один такт. Структуру узла студентам предлагается изобразить самостоятельно.